钾胁迫对烟草根系生长的机制研究开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

意义：植物通过改变根系结构来应对养分缺乏的能力是适应环境的基本要素。在密集的种植制度下，努力朝理想根构型的株型育种并且提高养分吸收能力是提高产量最根本的重要手段。提高对根系关于养分缺乏反应的了解将有助于耕地农业的进步。

国外研究概况：在许多植物体内，根适应缺钾是生理、代谢和形态上的变化（如拟南芥，棉花，和水稻）。有一个经典的研究，drew（1975）证明了当k 只供应给被选出的部分根系时，大麦幼苗会增加侧根（lr）生长。相反，在模式植物拟南芥幼苗中，通常以急剧减少侧根的延伸来回应缺钾。即使在同种的拟南芥来看，初生根（pr）对缺钾的生长反应可能有很大的不同，从没有影响到pr伸长，使其受损。kellermeier等人在根形态适应缺钾方面发现了两个不同的策略，这是一个主要权衡初生根和侧根的延伸的函数。策略一，pr保持增长但lr伸长受到损害；策略二，pr延伸迟滞来支持lr分支生长。

引用文献：

2. 研究的基本内容和问题

目标：缺钾是一种常见的影响植物根发展的非生物胁迫。我们实验研究的目的是识别生长素在缺钾影响根系生长过程中的作用。

内容：钾（k ）在植物的干重占比为2%-10%并且（定量来说）是在植物细胞中最重要的阳离子。k 在许多细胞和组织生命活动中是必不可少的，如参与渗透调节、酶的活性、矿物质和代谢产物的运输，以及气孔的开度调节。k 离子在土壤中的一般浓度范围为0.0255毫摩尔，但在根际，k 浓度通常小于0.3毫摩尔。甚至在施肥土壤区域，k 吸收受到环境条件等多方面的影响，如干旱和土壤密度。因此，植物在其生命活动中可能常常出现缺钾（lk）。

根的生长是由外在环境信号和内在发展计划来调节的。生长素是一种对控制根生长起重要作用的植物激素。大多数生长素最初是在地上组织合成（例如，茎尖和嫩叶），然后重新通过生长素载体运输到根部，生长素载体有aux1 /lax族蛋白和生长素输出载体，而生长素输出载体则包括pin与abcb / pgp族蛋白。在质膜中，pin输出载体蛋白存在极性定位，它们的极性决定着生长素流通的方向。

3. 研究的方法与方案

研究方法：调查缺钾对一阶和二阶侧根（lrs）的形成和伸长、生长素浓度、dr5:gus表达、[³h]iaa运输和六销基因在烟草植物根的表达等方面的影响。我们还研究了外源生长素(naa)和运输抑制剂(npa)在lr增长和dr5::gus的表达过程中的影响。

技术路线：我们通过用外源生长素naa和生长素运输抑制剂npa作为植物生长营养介质来处理植物幼苗。试验中我们将生长了25天的烟苗在含naa或npa溶液营养介质中培育11天来得到实验材料。

实验方案：以烟草品种k326作为实验对象。将种子在充满泥炭和蛭石（v：v，1:1）的混合托盘中发芽，在温室自然光照下，昼/夜温度控制在28 / 22摄氏度。大小均匀、活力基本相同的25天龄的幼苗移栽到箱顶盖子有洞的7升容量的水培箱中（10孔每盖，且每穴1株苗）。提供11天的含1/4浓度霍格兰营养液的营养液（霍格兰和亚嫩河1950）。幼苗进行两种处理：缺钾（lk，0.01毫摩尔k 浓度）或营养正常（对照，2毫摩尔k 浓度）。钾营养介质由硫酸钾供应。营养液（ph 6）由1.25毫摩尔ca（no₃）₂，0.25毫摩尔nah₂po₄，0.5毫摩尔mgso₄7h₂o，20m fe-edta，9.1m mncl₂，0.5m（nh₄）₆mo₇o₂₄，46m h₃bo₃，0.8m硫酸锌和0.3m硫酸铜。营养液每天更换并且曝气30 min维持最佳氧含量。每组处理重复6次，安排在一个完全随机设计避免边缘效应的环境中。此外，所有的实验包括三个独立的生物重复实验。经过11天的处理，收获的植物根和叶样品在液氮中快速冷冻，并在-70摄氏度中储存，直到生长素浓度和ntpin族基因的相对表达水平的测量完成。

4. 研究创新点

特色：

1.很少有研究去评估生长素在缺钾的作用下对根的生长的影响。在生长素抗性突变体中，k 缺陷抑制pr生长可能被逆转，表明生长素参与了钾缺乏条件下根结构的调节。最近，对缺钾条件下水稻根系转录组分的分析也发现了大量的生长素相关基因。这是生长素调控根系应对k 缺乏反应的进一步证据。根系dr5：：gus检测实验表明，生长素会在经过k 剥离处理后的伸长末梢部位的中柱细胞中积累。这样的生长素再分配在k 不足的条件下可能是由于生长素转运蛋白pin1的改变引起的，这需要一种属于kup/hak/kt族的k 转运蛋白trh1。这些发现也证明了钾离子和生长素信号通路相关联。

烟草是一种重要的经济作物之一。侧根构成了幼苗根系的大部分，但是缺乏在大多数双子叶植物中可以明显发现的主根。当从烟草植物中去除顶端时，他们生长出比完整的植株更大的根系，并且去顶植株对外援生长素的吸收会增加根干重，从而我们可以揭示生长素与根系生长的关系。然而，烟草的根系结构与大多数双子叶植物明显不同。烟草侧根生长受缺钾影响或在何种程度上发生这种反应是与生长素有关的，然而很少有人知道的机制。在这项研究中，我们观察到经过11天以上钾素剥夺处理烟草幼苗的侧根lr的形成和伸长的时间历程。我们通过高压液相色谱法来测定幼苗叶片和根系中生长素的浓度。转基因植物携带的生长素表达结构dr5：：gus被用来确定生长素分布对k 胁迫的响应。我们还研究了缺钾对生长素极性运输抑制剂n-1-naphthylphthalamic酸（npa）及外源生长素（naa）对烟草幼苗侧根的形成和伸长的影响。我们分析了根部的[3h] iaa运输来确定生长素从地上部到根的极性运输是否受到k 缺陷的抑制。我们运用实时定量逆转录（qrt）pcr技术研究了生长素输出载体pins的表达水平。我们发现，缺钾通过调节生长素的分布达到对烟草侧根的形成和伸长的调控（至少部分通过抑制生长素的极性运输达成）。

5. 研究计划与进展

计划：在3-4月时间准备烟草植物幼苗和水培处理，5-6进行实验成果的采集、处理和分析，最后将实验结果及数据整理成书面报告。

预期发现结果：缺钾会减少根系生长,主要是通过损害一阶侧根的形成和伸长来实现。在根和叶缺钾情况下，IAA浓度和DR5:GUS表达水平下降,可以表明缺钾影响生长素的分布。[³H]IAA运输和销基因的表达水平因为缺钾而减少了,可以表明生长素极性运输被缺钾抑制。