机械刺激调控拟南芥根系发育中TCH基因与细胞骨架功能的研究

机械刺激对植物器官发生与个体形态建成的调控作用以及相关的细胞、分子机理是目前植物生物力学研究领域的热点话题，也是发育生物学的基本科学问题之一。本项目将在实验室长期以来研究植物机械刺激响应生理的基础上发展动态、定量观测模式植物拟南芥根系生长发育的实验技术，并探索培养介质的力环境及外加机械刺激对拟南芥根器官发生和根系结构形成的调控规律，建立根系的力-发育学模型；以TCH突变体、TCH::GUS及FABD2-GFP、MAP4-GFP等重要研究资源，探讨TCH基因编码的钙调蛋白、钙调蛋白类似蛋白及微管、微丝细胞骨架在拟南芥根系生长发育及机械响应中的潜在作用，阐明机械刺激影响根系生长发育过程中TCH基因的时空表达规律。本项目的研究有助于揭示植物根器官对机械刺激的响应规律，丰富对植物环境适应机理的理解，为现代农业选育和培养具备更强环境适应能力的作物新品种提供重要的基础理论支撑。

基于本实验室植物生物力学的研究积淀，本项目构建了动态、定量观测模式植物拟南芥根系生长发育与培养介质应力环境梯度改变的多种类多尺度机械刺激实验技术平台，研究定量的多梯度力学刺激对拟南芥根器官发生和根系结构形成的调控规律以及TCH基因和细胞骨架在力学刺激响应中的作用，以TCH突变体、TCH::GUS及FABD2-GFP、MAP4-GFP等为研究材料，主要研究成果为：1、基于反向遗传学的研究思路和方法，以突变信息明确的TCH 1、TCH2、TCH 3突变体为材料，选择不同倾斜度的培养介质研究根系的生长行为，发现TCH 2和TCH 3突变体在主根伸长、侧根发育方面出现缺陷，并且cml 24-2和cml 24-4突变体主根在琼脂表面分别出现了明显的向左和向右的偏斜，表明TCH 2和TCH3的正常功能为拟南芥根系机械响应所必需。进一步利用不同浓度的琼脂培养基模拟植物根系生长的土壤环境，对比tch 1-3突变体与野生型拟南芥主根的穿透率，发现tch 2（cml 24-2和cml 24-4）的主根穿透率显著地小于野生型，表明TCH 2基因可能在拟南芥主根的穿透能力中具有重要的生理功能；2、提出了促进植物生长、发育过程中由生物因素引起的内动力为生长力的假设。以根尖作为研究对象，基于根力学分析及牛顿第二定律，理论及实验验证了其假设的基础上，提出了根的生长与生长微环境的物理模型，并通过应力梯度实验验证，阐释了拟南芥主根响应机械刺激的波浪形和螺旋形生长行为；基于Eshelby等效夹杂理论，假设将膨压看作施加于植物单细胞内的均匀应变，构建了力与细胞形态变化的时空模型，该模型可以阐释了植物细胞形态变化与其有效性能之间的关系。3、通过建立实时检测拟南芥主根中eATP浓度的方法，研究发现apyrase的表达尤其是APY1和APY2在调控eATP中发挥了十分重要的作用；微管干预药物实验发现野生型和 APY1 突变体的主根偏斜生长和外表皮细胞系螺旋生长的行为存在显著差异，表明野生型和 APY1 突变体对微管特异性药物的敏感性不同；进一步通过微管骨架的活体观测研究发现apyrase 的抑制剂导致GFP-MBD 主根伸长区外表皮微管骨架的正常结构和排布出现扰动，微管束出现断裂成核和荧光斑点聚集的现象，表明 apyrase 通过调控皮层微管骨架的结构和排布在拟南芥主根接触刺激响应中发挥了重要作用。