浮萍科植物重力感应中淀粉粒含量与造粉体沉降的动态变化研究

When life evolved from the sea, it likely experienced that a reliable gravity detection mechanism was developed for land plants. In contrast, neutrally buoyant aquatic species still have gravity acting upon them, and the uniform pressure around them tends to counterbalance the intensity of the gravitational signal. For land plant, the often-cited progression of the chain of events that comprise gravitropism start with the perception of a stimulus by a susceptible structure, transduction (translation of a mechanical into a biochemical signal), and a subsequent, measured response. In Arabidopsis, root and shoot statocytes commonly harbor a number of amyloplasts, and amyloplast sedimentation in the direction of gravity is a critical process in gravity sensing. However, in aquatic plant, especially those floating plant, it is elusive to understand that whether the root or the amyloplasts act as elements of gravity sensing. Microgravity/Hypergravity provide an efficient condition for disturbing the balance between gravity and buoyancy of floating plant. In this project, we use two species Spirodela polyrhiza and Wolffia globosa in Lemnaceae to study the formation and differentiation of root/fronds in gravity perception, starch content and sedimentation of amyloplasts in gravity sensing in Lemnaceae.

伴随着生命从海洋到陆地的登陆进程，陆生环境的异质性塑造了陆生植物独特的、适应重力环境的反应机制和体系。与陆生生境相比，气候、营养条件均一、环境相对稳定、重力与浮力共存的水体环境也促使水生植物进化出相应的重力感应方式。基于拟南芥（Arabidopsis）的研究，我们知道高等植物主要通过根部中轴细胞造粉体感应重力，并通过造粉体的运动使环境中的物理信号转变为细胞内的生化信号，引发植物发生向重力反应。水生植物，特别是浮游植物，其根部造粉体在水体环境中是否仍是重力的感应器，当打破水环境中重力与浮力平衡时，植物体的造粉体又将发生何种变化将是本项目关注的研究内容。本项目选取浮萍科有根的紫萍(Spirodela polyrhiza)与无根萍(Wolffia globosa)进行研究，以期揭示浮萍科植物在向重力反应中根/叶状体形成分化特点、淀粉粒的含量、造粉体的分布及运动样式。

本项目选取浮萍科具根稀脉萍(Lemna aequinoctialis)与无根萍(Wolffia globosa)进行研究，以期揭示浮萍科植物在向重力反应中根/叶状体形成分化特点、淀粉粒的含量、造粉体的分布及运动样式。结果显示：（1）在模拟微重力环境中，稀脉萍与无根萍的生长速率分别增加32%，12%，与地面重力环境相比差异显著，说明模拟微重力环境对浮萍的生长并未造成抑制；（2）比较不同重力环境下稀脉萍与无根萍的细胞显微/亚显微结构，结果显示稀脉萍与无根萍的叶状体细胞呈现出相似的结构变化。细胞排列松散，细胞间隙增多，叶绿体形态由梭形变为椭圆形，淀粉粒形态与数量未呈现明显变化。与无根萍相比，稀脉萍的根部细胞也排列松散，细胞中淀粉粒减少，说明淀粉粒在稀脉萍根部向重力感应中具有重要作用；（3）在模拟微重力环境下，稀脉萍与无根萍中的淀粉含量也呈现出不同的变化样式。这种不同的变化样式主要与浮萍科淀粉合成酶限速基因的遗传分化相关；(4)利用微丝解聚剂降解细胞中的AFs结果显示，微丝解聚剂能导致淀粉体沉降速度增加、运动紊乱，该结果提供了浮萍科植物中在向重力感应中微丝与淀粉体运动相关的证据。综上所述，无根萍可以通过增加淀粉质、减小液泡体积、增大细胞内空腔等方式进行自身应力调节，对重力环境依赖性不强。然而，其祖先类群稀脉萍仍保留了部分根部结构并承担重力感应的作用。可见，与稀脉萍相比，无根萍具有更好的空间适应性，可以作为未来我国空间站再生生保系统的备择植物部件。