水稻花发育的分子生物学研究进展
罗琼1,2,朱立煌1
(1.中科院遗传所植物生物技术重点实验实,北京100101;
2.四川农业大学水稻研究所,成都611130)
摘要:水稻是世界上最重要的粮食作为之一,也是单子叶植物发育生物学研究较理想的模式植物。水稻花器官还是粮食赖以形成的基础。对水稻花发育的研究已开始成为植物分子遗传学的一个新的焦点。近年来有关水稻花发育基因调控的研究已取得了长足的进展,本文从水稻花的诱导、花分生组织的形成和花器官的发育三个方面综述近年来国内外的研究进展。
关键词:水稻;发育;花器官;基因
中图分类号:Q344文献标识码:A文章编号:0253-9772(2002)01-0087-07
Progress of Molecular Floral Development Research in Rice
LUO Qiong1,2,ZHU L-i huang1
(1.I nstitute of Genetics,Chinese Acade my of S c ience,Beij ing100101,China;
2.R ice R e search I nstitute,Sichuan Agricultur al Univ ersity,Chengdu611130,China)
Abstract:Rice(Ory za sativa L.)is not only one of the most important food crops in the wor ld,but also a model plant for study of molecular develo pmental biology in mono cots.In addit ion,the rice flo ral organs provide the basis for g rain forma-tion.Study of rice flor al development has become a new focus of plant molecular genetics.Recently,notable progress has been made in study o f gene regulat ion in rice floral development.In the review,genetic and molecular mechanisms of flor al induction,floral meristem formation,and flo ral organ development in rice are summarized.
Key words:O ryza sativ a;development;floral org an;g ene
花的发育是显花植物生殖生长期最明显的特征,花器官的形成程序则是植物的重要遗传特征之一。因此,植物花的形态发育过程为研究基因调控的分子机理提供了一个合适的系统。通过对模式植物拟南芥和金鱼草的花器官突变体的分子生物学研究,现已基本阐明双子叶植物花器官发育的遗传控制机理,并建立起在花器官发育过程中的同源异型基因作用的ABC模型[1~3]。按该模型,A、B、C三组基因分别提供三种不同的同源异型功能控制四轮花器官(花萼、花瓣、雄蕊和心皮)的形成。在拟南芥中,A功能由3个不同的基因A PET A L A1(A P1)、A PET A LA2(A P2)和L E UN I G (L UG)提供,B功能由A PET A L A3(A P3)和PI ST IL LA T A (PI)提供,C功能由A GA M O US(A G)提供[3]。在金鱼草中,A功能由SQ UA M O US(SQ UA)提供,B功能由D EFI-CIEN S(DEF)、GL OBO SA(GL O)提供,C功能由PLEN A (PL E)提供[2]。
单子叶植物和双子叶植物早在1.2~1.8亿年以前就已分化[4]。单子叶植物的花和花分生组织发育的许多特征与双子叶植物明显不同。单子叶植物包括最重要的粮食作物,其花的发育是形成粮食的基础。禾本科植物水稻不仅是世界上最重要的粮食作物之一,也是单子叶植物的理想模式。与其他单子叶植物相比,水稻具有以下重要优点[5]:在已知单子叶植物中它的基因组是最小的,约含400M b(百万碱基对),分布在12条染色体上,仅为拟南芥120M b的4倍、玉米2500M b的六分之一、大麦5300M b的十三分之一;水稻基因组与禾谷类其他作物基因组具有共线性,并已建成饱和的遗传图谱[6];相对于其他禾谷类植物水稻具有较高的转化效率;它的生育期较短,一般为90~160天;水稻的种质资源丰富,全世界已登记入库的资源已超过120,000份[6]。值得注
收稿日期:2001-03-13;修回日期:2001-05-16
作者简介:罗琼(1966-),女(汉),四川射洪人,助理研究员,在读博士生,专业方向:植物分子生物学。
遗传H EREDIT AS(Beijing)24(1):87~93,2002专论与综述
意的是水稻的花在单子叶植物花器官中也具有代表性[7]。尽管对水稻花发育的分子生物学研究才刚刚开始,分子生物学技术和基因组方法学的快速发展及其在植物发育研究中的广泛应用,已使水稻花发育的研究深入到分子水平,业已取得不少进展,本文从花的诱导、花分生组织的形成和花器官的发育三个方面对此作一介绍。
1水稻与双子叶植物花器官结构的比较
单子叶植物的花和花分生组织的许多特征明显不同于双子叶植物[7]。在单子叶植物中,禾本科植物的花最具多样性,其中水稻的花器官在禾本科植物中更具代表性[7]。水稻花的单位是小穗,小穗由两个颖片和一朵小花所构成,小花从内向外依次由一个雌蕊,六枚雄蕊,两个浆片,一个内稃和一个外稃构成。
在水稻及其他禾本科植物中,里面的二轮花器官,雄蕊和雌蕊,都是保守的,但它们外面的不育花器官,外稃、内稃和浆片,与双子叶植物和其他单子叶植物的花萼、花瓣在外观上明显不同[8]。水稻的花器官浆片相当于双子叶植物的花瓣已得到许多实验结果的支持[9~11]。水稻的二个M ADS 框基因,OsM A DS2和O sMA D S4,与拟南芥的B功能基因PI 是高度同源的。OsMA D S2的mR NA在水稻的花器官,浆片和雄蕊中积累[12],与PI在拟南芥的第二、三轮花器官,花瓣和雄蕊中的积累相似;在表达反义OsMA D S4[10]基因的转基因水稻植株中,浆片变成了类似内稃和(或)外稃的器官,这与在双子叶植物中,B功能缺失引起花瓣转变成花萼的表型相似[2,3];水稻的RA P1A基因是拟南芥的A P1的同源基因[7],它的mRNA主要在发育的内稃、外稃和浆片中表达,与A P1在拟南芥的花萼和花瓣中表达相似[13]。这些结果都暗示水稻的花器官浆片与双子叶植物的花瓣是同源器官。然而,对水稻的外稃和内稃与双子叶植物及其他单子叶植物的花萼器官之间的对应关系迄今尚无定论。根据RAP1A 的表达模式,最简单的解释是:内稃和外稃都是与双子叶植物拟南芥的花萼一致的器官。然而,内稃和外稃在形态上存在差异、排列上也不同(即它们不是在同一轮中形成的),又暗示内稃和外稃可能是不同的器官。在大麦的lea f y-lem-ma突变体中,外稃转变成了发育完全的小叶片,而内稃和其他花器官却没有发生形态的改变[14],即在同一突变体中内稃和外稃受到不同的影响,暗示禾本科植物大麦的外稃和内稃是不同的器官。水稻的外稃和内稃是否是同一器官?它们与双子叶植物和其他单子叶植物的花萼器官之间的关系怎样?迄今仍是一个没有解决的问题。
双子叶植物中,AG同源基因的过量表达可引起花瓣转变为雄蕊、花萼转变为心皮的同源异型转化,这在在许多植物中都得到了证实[11,15~17]。假如水稻的内稃或外稃是花萼的同源器官,在异域表达A G同源基因的水稻转基因植株中,一个内稃或外稃就可能转变为心皮。因此,使水稻A G 同源基因RA G在水稻中异域表达,以及对RA P1A功能缺失的分析将会提供更多的关于内稃和外稃特性的信息。
我们从水稻育种材料后代中发现了一份无内稃(有外稃)突变体,根据对其花器官的形态解剖结构的研究结果可以推测,水稻的外稃和内稃是二轮不同的器官,而水稻的内稃可能与双子叶植物的花萼同源(据实验室未发表的结果)。
2花的诱导
开花植物的所有茎尖结构,包括花,都是由茎顶端分生组织产生的[18]。当植物发育到一定时期,在内外因素的共同作用下,由营养生长转向生殖生长,茎顶端分生组织停止产生叶原基而开始产生花分生组织[19]。植物从营养生长向开花的过渡是植物生活周期中一个关键性的发育转变。显然与开花相关基因的表达是实现这一转变过程的基础。植物控制开花过程的基因可根据其作用阶段的不同,分为开花决定基因和器官决定基因[20]。开花决定基因控制茎顶端分生组织(SA M)转变为花序分生组织,即花的诱导过程;这些基因的表达影响开花的早晚。
从水稻中分离的OsM A DS1[21]、OsM A DS5[22]、Os-MA D S7和OsM A DS8[23]基因属于A P1/A GL9[24]基因家族,在烟草中异域表达时引起矮杆和早花。用OsM A DS1转化水稻时,与转化烟草一样,转化植株也表现出明显的矮杆和早花,即它在水稻中的异域表达也影响开花的早晚。由此推测,OsM A DS5、Os MA D S7和OsM A DS8在水稻中异域表达时也可能会引起早花,OsMA D S1、OsM A DS5、OsM A DS7和OsM A DS8有可能是水稻的开花时间基因,控制水稻花的诱导过程。为了进一步了解OsM A DS1在水稻花发育中的作用,Jeon等于2000年[25]构建了两种OsMA DS1突变基因。一种是在M ADS结构域包含错义突变的Os MA D S1基因,另一种是缺少了羧基(C)-端的OsM A DS1基因,并在act1启动子的控制下转化水稻植株。有趣的是表达缺少C-端的OsMA D S1基因的转基因植株表现出早花和矮杆的表型,与表达野生型的OsM A DS1基因的转基因植株相似,这表明C -端对诱导早花和矮杆表型是不需要的。表达M ADS结构域错义突变的转基因植株则没有表现矮杆和早花,但转基因植株的花序发生了明显的形态改变:小穗由不闭合的叶状外稃和叶状内稃、两对叶状的浆片、数量减少的雄蕊和数量增加的雌蕊组成。这一结果一方面表明M A DS结构域是诱导矮杆和早花所必需的,另一方面则暗示由于MA DS结构域的错义突变可能使这个基因缺失了二聚化和结合DN A的功能,使基因的表达受到影响而改变了花序的形态结构。因为,在拟南芥中缺少M A DS结构域的A G基因不能进行二聚化和DNA结合[26]。在酵母双杂交系统中,缺失C-末端的OsMA D S1蛋白质能够与其它含M A DS结构域的蛋白质形成异源二聚体,例如能与OsM A DS6、OsM A DS14、Os-MA D S15和OsM A DS17[24,25]形成异源二聚体。因此,异域
88遗传HER EDIT A S(Beijing)200224卷
表达的OsM A DS1可能与对开花起抑制作用的MA DS框蛋白相互作用而诱导早花,如在转基因烟草中,异域表达的OsMA D S1与FL O WERIN G L OC US C(开花基因座C)[27]编码的M ADS框蛋白相互作用并诱导烟草早花;也可能由几种蛋白形成一种抑制营养生长、促进生殖生长的复合物。
3花分生组织的形成
花诱导的结果是茎顶端分生组织转化为花序分生组织。在花分生组织特性基因的作用下,花分生组织从花序分生组织顶端的边缘诱导产生。在水稻中,穗轴卷曲突变体f z p[28],在穗轴上形成正常的一次枝梗,但一次枝梗原基起始后,其顶端分生组织(SAM)开始退化,结果枝梗上不能分化形成小花,在更高枝梗上不是分化小穗,而是不断产生分枝。因此f z p突变体产生不正常的枝序,使有限生长的花分生组织转变成无限生长型的花序分生组织。这表明FZ P基因可能是水稻花序分生组织和花分生组织形成的主要调控基因之一,与LF Y在拟南芥花发育中的作用相似。
RFL是从水稻中分离的与LF Y/FL O同源的基因[29]。RFL编码由379个氨基酸残基组成的蛋白质,尽管它与L FY/F LO蛋白质是同源的,但与双子叶植物之间的同源基因所编码的蛋白质相比其同源性相对较低。用绿色荧光蛋白(GFP)报道基因进行的研究已将RFL蛋白定位于细胞核中。R FL蛋白中的核定位信号(N LS)序列与LF Y/F LO相似。拟南芥的35S-L FY的异域表达能使花序分生组织转化为花分生组织。而用35S-RFL转化水稻,在转化的水稻植株中很少观察到花序分生组织转化为花分生组织,这说明R FL和LF Y的蛋白质功能是不完全相同的。Nor thern印迹分析表明[20],RFL在幼嫩的花序中表达,而不在花分生组织、成熟小花、叶和根中表达。营养生长转变为生殖生长后, RFL在幼嫩花序包括顶端分生组织(SA M)的所有细胞层中表达,但在早期的原始分枝中不表达。这说明没有可测到的RFL mRN A也可以形成花分生组织,看来RFL mRNA的表达不是水稻花诱导绝对必需的。虽然RFL与LF Y是同源基因,但在花发育中所起的作用有明显差异。而前面提到的FZP基因在水稻花发育中的表达模式与L F Y非常相似,水稻的FZP基因是否是一个与LF Y同源且功能相似的基因呢?如果是,FZP与RFL之间又是怎样的关系呢?FZP基因的克隆及其功能研究将有助于这一问题的回答。在拟南芥中,LF Y在顶端花序分生组织中的表达受到T ERM IN A L FL O WER1(TFL1)的抑制[30]。在水稻中,是否也存在类似T FL1的基因调节RFL在顶端花序分生组织中的表达?这是又一个有待进一步研究的问题。
水稻中的RA P1A是AP1/SQ UA的同源基因[7]。RA P1A基因编码的蛋白质与AP1/SQ UA[31]相比,在M ADS 结构域分别有89%和88%的氨基酸序列是相同的;N-端的153个氨基酸(包括M ADS结构域、K区和I区)分别有70%和73%的序列是相同的。SRA P1A编码的蛋白质与玉米ZAP1蛋白有70%的氨基酸是相同的,这种同源性伸展到C -端区域。含M ADS结构域的蛋白的C-端区域尽管不能决定其功能的特异性,但可能与转录激活有关[31]。禾本科植物的M ADS盒基因在C-端区域的保守性可能与功能的特异性有关。RA P1A在早期的花分生组织中的表达与A P1在花分生组织中的表达相似[13],在转基因35S-RA P1A的水稻植株中,明显形成早花。这与拟南芥的转基因35S-A P1植株相似,即RA P1A在水稻中的作用与AP1在拟南芥中的作用相似,在水稻花分生组织的诱导中起重要作用。虽然RFL和RA P1A分别是拟南芥LF Y和A P1的同源基因,但它们的mRNA积累模式却不同,这暗示A P1和LF Y的直系同源基因在水稻中的功能可能发生了变异。
在拟南芥中,LFY可能是开花时间基因的下游靶基因,同时又是花器官特性基因AP1、AP3和A G的上游基因[18]。在水稻中,RFL和RAP1A分别是拟南芥LF Y和A P1的同源基因,RFL是否也是上述开花时间基因的下游靶基因和花器官特性基因RAP1A的上游调节基因,尚有待进一步研究。
在水稻花器官突变体f on1和f on2中,花分生组织增大,浆片、雄蕊和雌蕊数目明显增加,浆片和雄蕊发生同源异型转化[32]。这种表型同拟南芥的clv1和clv3突变体相似。尽管拟南芥的clv1和clv3突变体在营养生长和生殖生长过程中茎顶端分生组织(SAM)都明显增大,而水稻的f on1和f on2突变体在营养生长过程中SAM表现正常。拟南芥的CL V1[33]和CL V3[34]基因分别编码受体蛋白激酶和受体蛋白激酶的配体(96个氨基酸的多肽)[35],通过配体蛋白CL V3与受体蛋白激酶CL V1的结合,激活信号传导途径来调节分生组织的大小。今后的研究应进一步揭示FON1和FON2是否与CL V1和CL V3同源,是否也以某种方式调节水稻分生组织的大小。
OSH1[36]、OSH15[37]和OSH3、OSH6、OSH43、OSH71、OSH10[38]是从水稻中分离的属于KN1-typ e同源框基因家族的成员。系统的遗传分析显示,这些基因在玉米中都有一个或两个直系同源基因。对其表达模式的分析结果表明,它们在胚、茎和花发育期间的茎顶端分生组织中表达,可能与植物整个生活周期中的形态发生有关,在茎尖形成前共同调节茎尖分生组织(SAM)的形成,在茎尖形成后它们的功能是不同的。通过原位杂交检测这些基因在水稻花序分生组织和花分生组织中的表达模式发现,O SH3在花序分生组织中表达,但不在花分生组织中表达;OSH6和OSH71自始至终在花序分生组织中表达,但从花序分生组织过渡到花分生组织后,它们的表达仅局限在花分生组织与颖片原基之间的缺刻部分,与在营养分生组织中的表达模式相似。另外,在花分生组织发育的后期,OSH6和OSH71都在花分生组织的原体中表达。这说明OSH6和OSH71与细胞命运的决定和器官定位有关。OSH1和OSH43的mRNA在花序轴原基的原体中表达,而不在膜层表达;在花诱导后,在
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1期罗琼等:水稻花发育的分子生物学研究进展
膜层和原体中都可检测到OSH1和OSH43的mR NA,但在花器官原基中没有表达。在花发育后期首先观察到OSH1和OSH43的表达差异:OSH1继续在花分生组织的原体中表达,而OSH43的表达消失。根据上述的表达模式可以推测,这些基因除了有维持茎顶端分生组织发育的功能外,还可能参与茎顶端分生组织转变为花序分生组织,花序分生组织转变为花分生组织,以及花器官形态建成的调控。至于这些基因在上述的分化过程中怎样发挥作用,还有待于对基因功能的进一步研究。
属于A P1/A GL9基因家族的水稻基因OsMA DS6、Os-MA D S14和OsM A DS24、OsM A DS45,与花分生组织发育有关,虽然它们的时间表达模式相同,都在花发育的早期表达并持续到花发育的后期,但它们的空间表达模式并不相同。OsMA D S14在不育的外稃、内稃和心皮中表达[24];Os-MA D S6在浆片、不育的外稃和心皮中表达[24];OsMA D S24和OsM A DS45[39]在小穗原基、浆片、发育的雄蕊和雌蕊原基中表达。OsM A DS24和OsM A DS45分别属于A GL2和A GL4亚家族,在拟南芥中,A GL2和A GL4基因在花发育的早期(花分生组织刚刚形成,花器官原基出现之前)表达[40,41],它们可能在花分生组织诱导后到花器官诱导之前的中间阶段起作用。OsM A DS24和OsM A DS45在水稻花分生组织和所有花器官原基中特异表达,这与A GL2和A GL4在拟南芥中的表达模式相似。由此推测它们在水稻花发育中的作用可能与A GL2在拟南芥中的作用相似。然而A GL2和A GL4在拟南芥中的具体功能还不清楚。
4花器官的发育
当植物接受了决定开花的信号,茎尖分生组织转化为花序分生组织、花分生组织后,最后一步也是最关键的一步就是:开什么样的花。简单地说,花器官的发育就是花器官的大小、数目、类型及位置是如何决定的[1]。花器官的发育调控有别于花序、花分生组织,花器官的发育受到一系列花器官特性基因的调控。在水稻中已克隆了约26个与花发育相关的M ADS框基因,它们分属于不同亚族(表1)。
表1水稻中与花发育有关的同源框基因
Table1MADS-box genes involved in rice floral development
基因表达部位和功能文献
K N1-T ype Homeobox Gene Family:OSH1(Oskn1)在花序轴和花分生组织的原体中表达,在营养生长期和花序分生组织期
调控SAM的形成和发育
36,38
OSH3在花序分生组织中表达,是SAM形成的调控基因之一,与细胞的命运决
定有关
38
OSH6在花序分生组织中一致表达,从花分生组织到花的过度期,其表达只局
限于花分生组织与颖片原基之间,在器官定域中起重要作用
38
OSH43在花序轴的原体中表达,而在花分生组织的原体中没有表达,在营养生
长期和花序分生组织形成期调控S AM的形成和发育
38
OSH71始终在花序分生组织中表达,从花分生组织到花的过度期,其表达只局
限于花分生组织与颖片原基之间,在器官定域中起重要作用
38
A功能R AP1A
R AP1B
E31864属于A功能基因,小穗发育的早期阶段在花分生组织的顶端表达,然后
局限在发育的内稃、外稃和浆片中,在DNA复制、重组、修复和转录调控
中起重要作用
7,42
B功能OsM ADS2是拟南芥B功能基因PI的同源基因,在雄蕊原基和浆片原基中表达43,10,7,44 OsM ADS4是拟南芥B功能基因PI的同源基因,在水稻第二三四轮器官中表达,与
PI在拟南芥中的表达模式非常相似
43,10,7,44
OsM ADS16是拟南芥B功能基因AP3的同源基因,在第二三轮器官中表达,与A P3
在拟南芥中的表达模式相似
7
C功能OsM ADS3是AG基因的同源基因,在水稻三四轮花器官-雄蕊和心皮中表达,与
AG基因具有相同的表达模式
10,12
R AG是A G基因的同源基因,在雄蕊原基和雌蕊原基中表达,在胚珠中具有
相对较强的表达信号
7
D功能OsM ADS13与玉米的ZAG2基因具有高的同源性,在发育的胚珠中高水平表达,与
胚珠和种子的发育有关
45
AP1/AG L9基因家族:
它们可能在花分生组织的诱导与花器官诱导之间的过度期起重要作用OsM ADS1
OsM ADS5
OsM ADS24
OsM ADS7
OsM ADS8
属于AG L2亚家族,转化烟草引起植株矮化和早花,与花的诱导有关,在
控制开花时间中起重要作用
21,39,22,44
OsM ADS17
OsM ADS6
属AG L6亚家族,是ZA G3的同源基因,在花发育的早期和后期阶段都
有表达,在成熟花的浆片和心皮中检测到表达
44
OsM ADS18
OsM ADS14
OsM ADS15
属SQ UA亚家族,是ZAP1的同源基因,在花发育的早期和后期阶段都
有表达,成熟花的内稃、外稃、雄蕊和心皮中有表达
44
OsM ADS45属于AG L4亚家族,在花分生组织和花原基中表达39
E31254属于AG L9亚家族,主要在花序中表达42
90遗传HER EDIT A S(Beijing)200224卷
A功能基因RA P1A在小穗发育早期花分生组织的顶端区域表达,花发育后期局限在内稃、外稃和浆片中表达,但不在雄蕊原基和雌蕊原基中表达,这与A P1在拟南芥中的表达模式一致。B功能基因OsM ADS2的mRN A主要在浆片和雄蕊中表达,不在颖片、外稃、内稃和雌蕊中表达;表达反义OsM ADS4基因的水稻植株,第二轮花器官浆片(被认为是双子叶植物花瓣的同源器官)变成类似内稃(外稃)的器官,第三轮的雄蕊变成类似心皮的器官,这与AP3和PI在拟南芥中的表达模式一样。C功能基因OsM ADS3和RAG 在雌蕊和心皮中的表达模式与AG在拟南芥中的表达模式相似。在水稻中存在这些相似的A、B、C功能基因的表达模式表明,双子叶植物的A BC模型也大体上适用于单子叶植物。
OsM ADS16和OsMA DS4分别是AP3和P I的同源基因。在酵母双杂交系统中,检测到OsM ADS4与几个MA D S 框基因相互作用的情况[44],OsM A DS4只能与OsM ADS16相互作用,推测它们可能以形成异源二聚体的形式特化水稻中与双子叶植物的花萼和花瓣同源的花器官的形成。
OsM ADS16在酵母中具有转录活性,能与P I相互作用,而A P3在酵母中却没有转录活性,同时OsMA DS4也不能与AP3相互作用。所以OsM ADS16和A P3蛋白的功能存在差异,这种差异暗示AP3家族在单子叶植物和双子叶植物的分子进化过程中B功能基因的变异。
水稻OsM A DS3蛋白与拟南芥的A G蛋白在M A DS结构域的氨基酸序列100%相同,与玉米的ZA G1和金鱼草的PLE只有一个氨基酸不同。该蛋白的氨基酸全序列与A G、PLE和ZA G1的分别有69.1%、62.4%和65.2%是相同的。然而,OsM A DS3蛋白缺少C-末端,表达OsM ADS3的转基因烟草植株的花萼只表现出形态和颜色的不正常,而没有发育成类似心皮的结构;同样花瓣也只是转变成了类似雄蕊的花瓣,而没有完全转化为雄蕊。这可能是因为单子叶植物的M A DS框蛋白的功能与双子叶植物的A G蛋白功能不同所致[12]。
水稻RAG基因编码的蛋白质除N端多出的39个氨基酸序列与OsM ADS3不同外,整个序列只有一个氨基酸不同[7]。比较它们的核苷酸序列发现1.4kb cDN A的RA G与O sM ADS3有14个核苷酸不同(包括未翻译的引导序列); Souther n分析表明,它们在水稻基因组中都是单拷贝。这些结果暗示RAG和OsM ADS3可能代表相同的基因;而两个cDN A核苷酸序列的差异反应了不同品种间的多态性,因为RA G和OsMA DS3分别是从T or ide和M201二个不同的品种中分离的[11]。RAG和OsM ADS3编码的氨基酸序列与玉米的ZM M2具有较高的同源性[17,46]。在玉米中,ZM M2和ZA G1[47]是由同一祖先基因复制而来的[4],它们都在雄蕊和心皮中表达,但ZAG1mRN A主要在心皮中积累,而ZM M2 mRN A主要在雄蕊中积累,它们和谐地结合起来共同调控玉米的C功能器官特性。因此,一方面水稻的RA G和Os-M ADS3是否是由同一祖先基因复制而来的,并共同决定生殖器官的特性,还有待进一步研究;另一方面控制单子叶植物和双子叶植物花器官发育的机理可能不同,即禾谷类花器官-雄蕊和心皮的发育不是由单一的AG族同源基因控制。因此,获得RAG和OsM A DS3的功能缺失突变体是进一步了解水稻AG族同源基因功能的关键。
在拟南芥中,SU P基因是花器官的定域基因,当该基因突变时,不同轮之间形成的界限就受到影响[50,51]。有趣的是过量表达SU P cDN A的水稻植株变矮,分蘖减少,甚至引起幼苗死亡,SU P mRN A表达水平较低的植株虽然营养生长正常,但花普遍表现腹面膨大,雄蕊减少或形成第三轮的雄蕊和心皮嵌合器官[48],第二轮下部细胞增殖形成额外的浆片,花因此而失去了作为遗传特征的对称性,这与SU P基因在拟南芥中的异域表达所产生的表型相似[49],这一结果不仅暗示了水稻SU P基因的存在,而且表明S UP蛋白可能是花器官定域的保守调节因子。我们在水稻中发现的无中脉突变体,除叶片没有中脉外,还表现植株变矮,分蘖减少,颖壳不闭合,内颖比外颖长,第四轮的心皮器官发生不完全同源异型转化形成雄蕊和心皮中间器官,与拟南芥sup突变体的表型相似[50,51],推断该突变可能与水稻中SU P基因的突变有关,该基因已定位在水稻3号染色体上(据实验室未发表的结果)。该突变体基因的克隆和功能分析有助于进一步理解水稻中SU P基因的作用模式和功能。
胚珠是雌性生殖器官最重要的部分。胚珠的发育在开花植物中已得到了广泛的研究[52,53,46]。OsMA DS13[45]是从水稻分离的一个新的M A DS框基因,它编码的蛋白质的氨基酸序列与水稻的OsM A DS3有56.8%是相同的,与玉米的ZM M1[17]/ZA G2[46]和矮牵牛的FBP7/FBP11[52]分别有85.7%、85.8%和75%以上的序列相同。虽然OsM A DS13和OsM ADS3编码的蛋白质的氨基酸序列有较高的同源性,但它们的表达模式却不同,OsM ADS3像AG一样在雄蕊和心皮中表达,而OsMA DS13只在心皮中表达,而且主要在胚珠的孢子体部分表达,这表明它们在水稻花的发育中具有不同的功能。OsM ADS13的表达模式与玉米的ZAG2非常相似,都在发育的胚珠中表达,表明它们可能在胚珠发育中起重要作用,然而这两个基因的功能都还没有确定。虽然Os-M ADS13编码的蛋白质的氨基酸序列与FBP7和FBP11具有较高的同源性,而且OsM A DS13与FBP7和FBP11的表达模式也非常相似,但是系统发育的基因树表明OsM A DS13与D功能基因F BP7和F BP11的同源性并不明显[45]。目前FBP7和FBP11[52]基因在胚珠发育中的作用已通过对它们的过量表达和抑制表达实验得到了证实,也许OsM A DS13基因在水稻中的过量表达和抑制表达实验也有助于我们阐明这个基因的功能。
91
1期罗琼等:水稻花发育的分子生物学研究进展
5问题和展望
综上所述,尽管人们对水稻花发育的分子生物学有了初步的认识,但离完全揭示其机理还有很长的路要走。一方面,由于已发现的水稻花器官突变体还很少,已克隆的与水稻花发育有关的基因大多数是利用已克隆的双子叶植物和单子叶植物基因的保守序列作探针筛选水稻基因组文库和cDN A文库分离的,而不是从突变体出发直接鉴定和克隆调控水稻花发育的特异基因,因此限制了对水稻花发育模式的全面理解。目前对水稻中已克隆基因的功能研究结果,很大程度上是通过检测基因的表达模式,并与双子叶植物和其他单子叶植物中同源基因的表达模式进行比较而得到的,缺少对基因的功能缺失突变体的表型分析,这对我们全面认识这些基因在水稻中的功能是不够的。
水稻的基因组研究的进展为人们从整体上发现参与水稻生殖和发育的基因、并了解其作用模式提供了前所未有的机会。随着分子生物学技术的快速发展、花器官突变体越来越多地被鉴定、被克隆的新基因在数量上的增加和对已克隆的花发育调控基因功能研究的深入,就有可能最终通过基因工程手段改变水稻的花发育过程,而达到高产优质的目的。
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93
1期罗琼等:水稻花发育的分子生物学研究进展
水稻的生长发育
第三节水稻的生长发育 水稻的一生是指水稻种子萌发到种子成熟。从器官生长发展的特点看：可分成幼苗期、分蘖期、幼穗形成期和结实期。从生长发育的特点来看：可分为营养生长期和生殖生长期。以幼穗分化为界，在幼穗分化以前，主要是以根、茎、叶、分蘖等营养器官增殖为主，故称为营养生长期；幼穗分化以后，是以生长幼穗、颖花、种子等生殖器官为主，故称之为生殖生长期。 一、幼苗期的生长发育 幼苗是指种子萌发到三叶期这个阶段，习惯把秧苗在秧田生长的时期称为幼苗期。苗期可分为种子萌发和秧苗成长两个时期。 （二）、幼苗的生长 幼苗的生长是指第一真叶抽出至成秧移栽。芽谷播种后，胚根下扎，胚芽就向上坚起，叫扎根扶针。随后，不完全叶伸出叶鞘，称为出苗，全田有50%的出苗即为出苗期。 不完全叶抽出1-2天后，长了第一片完全叶，秧苗明显显现绿色，此时称为现青。全田有50%的苗长出第一完全叶时为现青期，以后长出第二、三片完全叶，至第四完全叶出现时，基部茎节就能发生分蘖。一般把第三片完全叶以前的时期称为幼苗期。 二、分蘖期的生长发育 从分蘖开始发生到停止的时期称为分蘖期。 （一）分蘖发生及条件 1、分蘖的发生：水稻的分蘖是接近地表基部密集节上的腋芽，在适宜条件下萌发起来的侧茎。发生分蘖的节称为分蘖节。分蘖发生所在节位低的叫低位分蘖，发生所在节位高的叫高位分蘖。一般低位分蘖成穗率高，穗型也大。由主茎长出的分蘖称第一次分蘖，由第一次分蘖长出的分蘖称为二次分蘖，依次类推。生产上常规稻一般以一次分蘖多，二次分蘖少，三、四次分蘖更少。而杂交稻二、三、四次分蘖均有发生。 2、分蘖发生的条件：分蘖发生的内在因素：品种不同，分蘖特性差异较大，籼稻品种大于粳稻和糯稻，多穗型品种大于大穗型品种，杂交水稻大于常规稻。分蘖的外界条件：一是气温、水温：分蘖发生的临界气温为15℃、水温16-17℃，最适宜气温为28-31℃，水温32-34℃。二是水分：过多或过少对分蘖都有抑制作用。三是光照强度：植株过繁茂,栽插过密、荫蔽严重会降低有效分蘖率。四是肥料：肥料充足时，分蘖快而多，返之，慢而少。五是插秧深度：浅插对分蘖有利，分蘖早而多；插秧深，分蘖节位高，分蘖迟而少。 （二）有效分蘖和无效分蘖
疾病分子生物学诊断的研究进展 摘要：随着分子生物学技术的的不断进步，许多疾病便转入了基因治疗阶段，而分子生物学技术的不断进步，也恰好为医药领域的发展建立了良好的基础，这也必将会为各种疾病的治愈提供一个更新更好的解决方案。而本文则就白血病、胆管癌和肺结核三种疾病的分子生物学诊断研究进展进行了讨论。 关键词：分子生物学疾病研究进展 前言： 利用分子生物学的技术方法检测受检者体内 DNA 或 RNA 的结构变化，从而对疾病作出诊断的方法［1］与传统方法相比较，其具有非常显著的优越性，既可以直接对个体基因状态进行检测，又可以对表型正常的携带者以及特定疾病的易感者作出诊断和预测。因此分子生物学技术能广泛应用于白血病、胆管癌和肺结核等几种疾病的诊断治疗。因此分子生物学的诊断治疗已成为研究热点，现将其研究进展情况综述如下。 1．白血病的分子生物学诊断研究进展[2] 1.1白血病简介 白血病是一类常见和多发的造血干细胞克隆性恶性疾病，形态学分型为其主要诊断方法，但对于一些形态不典型的病例易误诊，近年来临床研究发现，大部分的白血病存在着某种染色体易位，而易位会产生新的融合基因。癌基因的扩增、原癌基因点突变或抑癌基因的失活等。 1.2荧光原位杂交技术( FISH) 目前 FISH 广泛用于检测染色体重组和标记染色体，检测多种基因疾病的染色体微缺失和用于非整倍体疾病的产前诊断.其基本原理是用标记了荧光素生物素或者地高辛的单链 DNA 探针和与其互补的 DNA 退火杂交，通过检测附着在玻片上的分裂中期或间期细胞上的核 DNA 位置反映相应基因的状况适用于多种临床标本( 如血液骨髓组织印片和体液，甚至石蜡包埋的组织标本等)，具有直观、方便、敏感、可量化、方法多样和适应不同检测目的等优点，
第三节水稻的生长发育 水稻的一生是指水稻种子萌发到种子成熟。从器官生长发展的特点看：可分成幼苗期、分蘖期、幼穗形成期和结实期。从生长发育的特点来看：可分为营养生长期和生殖生长期。以幼穗分化为界，在幼穗分化以前，主要是以根、茎、叶、分蘖等营养器官增殖为主，故称为营养生长期；幼穗分化以后，是以生长幼穗、颖花、种子等生殖器官为主，故称之为生殖生长期。 一、幼苗期的生长发育 幼苗是指种子萌发到三叶期这个阶段，习惯把秧苗在秧田生长的时期称为幼苗期。苗期可分为种子萌发和秧苗成长两个时期。 （二）、幼苗的生长 幼苗的生长是指第一真叶抽出至成秧移栽。芽谷播种后，胚根下扎，胚芽就向上坚起，叫扎根扶针。随后，不完全叶伸出叶鞘，称为出苗，全田有50%的出苗即为出苗期。 不完全叶抽出1-2天后，长了第一片完全叶，秧苗明显显现绿色，此时称为现青。全田有50%的苗长出第一完全叶时为现青期，以后长出第二、三片完全叶，至第四完全叶出现时，基部茎节就能发生分蘖。一般把第三片完全叶以前的时期称为幼苗期。 二、分蘖期的生长发育 从分蘖开始发生到停止的时期称为分蘖期。 （一）分蘖发生及条件 1、分蘖的发生：水稻的分蘖是接近地表基部密集节上的腋芽，在适宜条件下萌发起来的侧茎。发生分蘖的节称为分蘖节。分蘖发生所在节位低的叫低位分蘖，发生所在节位高的叫高位分蘖。一般低位分蘖成穗率高，穗型也大。由主茎长出的分蘖称第一次分蘖，由第一次分蘖长出的分蘖称为二次分蘖，依次类推。生产上常规稻一般以一次分蘖多，二次分蘖少，三、四次分蘖更少。而杂交稻二、 三、四次分蘖均有发生。 2、分蘖发生的条件：分蘖发生的内在因素：品种不同，分蘖特性差异较大，籼稻品种大于粳稻和糯稻，多穗型品种大于大穗型品种，杂交水稻大于常规稻。分蘖的外界条件：一是气温、水温：分蘖发生的临界气温为15℃、水温16-17℃，最适宜气温为28-31℃，水温32-34℃。二是水分：过多或过少对分蘖都有抑制作用。三是光照强度：植株过繁茂,栽插过密、荫蔽严重会降低有效分蘖率。四是肥料：肥料充足时，分蘖快而多，返之，慢而少。五是插秧深度：浅插对分蘖有利，分蘖早而多；插秧深，分蘖节位高，分蘖迟而少。 （二）有效分蘖和无效分蘖
3光周期反应的分子机制 昼夜节律信号的产生,使得下游开花基因得到激活或抑制,进而引起水稻开花或迟花。CO是拟南芥中第1个被发现受昼夜节律调控的开花基因。拟南芥通过对CO基因转录的丰度同CO蛋白的稳定性的调节将光信号同昼夜节律钟统一起来。水稻Hd1、CO的同源基因,作为昼夜节律钟的下游基因,通过同样的方式在整合光信号和节律信号上起着重要作用。Hd1 mRNA的表达不受日长的影响,受到光敏色素的介导。Takeshi Izawa[13]认为Hd1能与光敏色素形成转录复合物或者受到光敏色素的磷酸化;Hd1单独存在时,促进其下游基因FT-like的表达;同光敏色素相互作用时,Hd1作为FT-like的抑制子。在短日条件下,Hd1 mRNA表达的峰值在夜间,而在长日条件下,Hd1 mRNA出现表达的峰值时,正处于光敏期,此时光敏色素同Hd1的作用比短日强,故抑制水稻开花。因此,Hd1是一个双功能基因,短日促进开花,而长日抑制开花。 拟南芥CO受到上游GI的调控,诱导1个编码移动开花信号的成花素基因FT 的表达。FT蛋白移动至茎尖,同由FD基因编码的转录因子相互作用来激活决定花器官特性的基因AP1,诱导拟南芥开花。 OsGI是拟南芥GI基因的水稻同源基因。OsGI mRNA的表达受到昼夜钟的控制,在长日照和短日照条件下,表达模式与CO类似。OsGI过表达,不论在何种日长条件下均能引起水稻开花推迟,说明OsGI是水稻开花的抑制因子,而在拟南芥中,GI促进开花[7]。Hd3a、FT的同源基因,由Hd1调控,同FT蛋白类似,Hd3a蛋白是水稻中的成花素,在叶片中表达,通过韧皮部运输至顶端分生组织,启动开花[14]。FT-like 1(RFT1),是水稻中13个FT-like家族基因中最接近Hd3a的同源基因,能在缺乏Hd3a的时候能促进开花,在短日下作用是冗余的。Reina Komiya 等[15,16]进一步证明,在短日条件下,主要通过Hd3a激活水稻开花。在长日条件下,RFT1则是主要的开花促进因子。Hd3a/RFT1作用于OsMADS14和OsMADS15基因的上游。OsMADS14和OsMADS15基因均为拟南芥AP1基因的同源基因(OsMADS14/RAP1B、OsMADS 15/RAP1A)[15,16]。这些发现表明光周期开花诱导途径GI-CO-FT-AP1和OsGI-Hd1-Hd3a/RFT1-OsMADS14/OsMADS15,在拟南芥和水稻中是保守的,但是在这些长日照植物和短日照植物中,光周期的反应是有区别的。 除去这些保守的开花时间基因的调控,水稻中还发现存在独特的调控因子。Ehd1编码一个B-型反应调节子,在拟南芥中不存在同源基因,能独立于Hd1促进水稻开花,作用于Hd3a、RFT1、部分MADS-box基因的上游[17]。Ghd7编码1个CCT结构域蛋白的基因,同拟南芥没有明显的同源性,是CCT结构域蛋白家族的新
分子生物学的应用及发展 摘要：本文在文献检索的基础上，对分子生物学的发展简史，基本原理，研究领域等作了简单介绍，阐述了分子生物学在人们日常生活中的应用并结合药学专业着重讨论了其在药学及中药开发发面的应用，并进一步对分子生物学未来的研究技术、方向和前景做了展望。 一前言 生物以能够复制自己而区别于非生物。生命现象最基本的特征是进行“自我更新”。进行“自我更新”体现了一种最高级和最复杂的运动状态。这种运动就是生物机体从环境中摄取物质和能量，以更新本身的物质组成，而山现生长、繁殖，在这样的过程中保证了将自身的特征传给历代；同时也不断地向环境输送一些物质和释放能量。在生物机体的组成物质中，防水分外，有各种无机盐类和各种有机化合物。其中生物大分子——核酸和蛋白质在进行自我更新运动中，以其功能的重要性占第一位。为探索生命现象的本质问题，产生了分子生物学这一学科[1]。 分子生物学(molecular biology)是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，它是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域[2]。 分子生物学的最终目标是远大的，从产生基本细胞行为类型的各种分子的角度，来理解这五类行为类型：生长、分裂、分化、运动和相互作用。即分子生物学力图完整地描述细胞大分子的结构、功能和相互联系，从而理解细胞为什么要采取这种方式[3]。 分子生物学作为一门新兴的边缘学科。它的迅速发展及其在整个生命科学领域的广泛渗透和应用，促使人们对生物学等生命科学的认识从细胞水平进入分子水平。在农业、畜牧、林业、微生物学等领域发展十分迅速，如转基因动植物等。在医学领域，为医学诊断、治疗及新的疫苗、新药物研制等开辟了新的途径，使医学科学中原有的学科发生分化组合，医学分子生物学等新的学科分支不断产生，使医学科学发生了深刻的变革，不认识到这一点就很难跟上科学发展的步伐。 分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景。 二分子生物学发展简史 分子生物学的发展大致可分为三个阶段[4-7]：
水稻抽穗期基因及分子调控机制研究进展 摘要：抽穗期是水稻品种的重要农艺性状之一，它对于水稻适应不同的栽培地区和耕作季节是至关重要的。水稻的开花期主要由感光性、感温性和基本营养生长性决定，多年来研究者提出了光周期途径、赤霉素途径、自调节途径和春化作用等4种调控途径，其中研究的最多的是光周期途径[1]。近年来，在水稻抽穗期基因的发掘、定位、克隆及作用机制等方面，特别是QTL研究方面取得较大进展。在此．回顾了水稻抽穗期基因／QTL的定位和克隆，阐述QTL的互作及与主基因的等性关系，并通过和拟南芥模式植物的对比进一步阐述了水稻开花的分子机制，为研究禾本科植物的抽穗期基因提供了有意义的启示。旨在为中国水稻抽稳期基因遗传以及在育种上的应用提供理论依据[2]。 关键词：抽穗期，光周期，基本营养生长性 引言 水稻抽穗期(生育期)是决定品种地区与季节适应性的重要农艺性状，选育早熟高产的水稻品种一直为水稻育种家所重视。水稻早熟基因的发现和利用将有助于解决早熟与丰产难以兼顾的矛盾，也有利于克服籼粳亚种间F，超亲迟熟的障碍。因此，发掘和鉴定水稻抽穗期基因(包括QTL)，开展抽穗期基因定位、克隆等方面的研究，并深入探讨水稻抽穗期基因的分子作用机理，具有重要的理论意义和应用价值。同时，水稻作为单子叶模式植物，这方面研究也对同类植物特别是禾本科粮食作物的抽穗期基因和QTL研究具有指导意义[2]。 1 水稻光周期研究进展 植物光周期现象的发现始于1921年Garner和Allard对美洲烟草开花期与长日照条件关系的研究[3]．大量的进一步研究发现。植物在光照时间长于或者短于某临界值，或只在特定光照时间范围内才会开花。他们将植物通过感受昼夜长短
江西农业学报 2007,19(5):27～31Acta Agriculturae J iangxi 水稻叶片早衰及其外源激素的调控研究进展 张文学 1,2 ,彭春瑞2,胡水秀1,陈武 3 收稿日期:2007-03-09 基金项目:国家粮食丰产科技工程项目江西分项(2004BA520A04)资助。 作者简介:张文学(1979-),女,山西洪洞人,硕士研究生,主要从事水稻早衰机理和预防方面的研究。 (1.江西农业大学农学院,江西南昌330045;2.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,江西南昌330200; 3.江西省农业科学院水稻研究所,江西南昌330200) 摘 要:综述了水稻叶片早衰对产量的影响及其评价指标,记述了叶片早衰过程中叶绿素、蛋白质含量、一些酶类活性、丙二醛等生理指标的变化,分析了几种外源激素应用于防止叶片早衰的研究进展,并对今后水稻叶片早衰方面的研究提出了一些建议。 关键词:水稻;叶片;早衰;外源激素;产量 中图分类号:S511 文献标识码:A 文章编号:1001-8581(2007)05-0027-05 Advances of Research on Early Senescence of R i ce L eaf and Phytohor m ones Regul a ti on Z HANGW en -xue 1,2 ,PE NG Chun -rui 2 ,HU Shui -xiu 1 ,CHE N W u 3 (1.Agr ono my College,J iangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China; 2.S oil and Fertilizer &Res ources and Envir on ment I nstitute,J iangxi Acade my of Agricultural Sciences,Nanchang 330200,China; 3.R ice Research I nstitute,J iangxi Acade my of Agricultural Sciences,Nanchang 330200,China ) Abstract:The effects of early -senescence indexes of rice leaf on yield were revie wed in this paper .The change of physi ol ogical indexes in leaf senescence p r ocess,including chl or ophyll,the content of p r otein,activities of s o me enzy mes and content ofMDA were su mmarized .Research advances in external phyt ohor mones were analyzed t o p revent the rice leaf senescence .Finally s o me advices on the future study of rice leaf senescence were put for ward . Key words:R ice;Leaf;Early senescence;External phyt ohor mone;Yield 衰老是植物体生命周期的最后阶段,是植物在长期进化过程中形成的适应性,具有重要的生物学意义。但在农业生产中,作物的过早衰老往往导致减产。因此,推迟作物衰老启动期或延缓衰老,尤其是防止其早衰发生对提高作物产量具有重要意义。近年来,水稻早衰现象日益引起人们的关注,其主要表征是在水稻抽穗期到成熟期,植株内部生理功能失调,叶片的生理活动受到障碍,叶绿素解体,茎叶枯萎,根系生理活性减弱[1] ,植株未 老先衰,籽粒充实不良,空秕率增高[2] ,严重时大面积枯 死,对水稻产量造成很大损失。水稻等禾谷类作物在生 长后期,叶片早衰现象较为普遍 [3] ,由于叶片是光合作用 的主要器官,叶片早衰对水稻产量有很大影响,研究水稻叶片早衰的生理指标,探讨相应的防止对策,对挖掘水稻的产量潜力以及指导育种等研究都有极其重要的意义。 1 水稻叶片早衰及其评价指标 1.1 叶片早衰对产量的影响 水稻产量是由多种因子 所决定的[4] ,水稻生长后期叶片早衰是产量的限制因素 之一 [5] 。曾富华等人发现,叶片和根系早衰是造成一些 水稻品种结实率偏低、空秕率较高的主要原因,严重抑制了其产量潜力的充分发挥 [2] ;还有研究表明,根系和叶片 早衰主要影响弱势粒的灌浆,弱势粒的灌浆是影响结实 率的主要因素[6] 。由于水稻叶片衰老会导致光合作用 的下降,而水稻籽粒2/3以上的干物质是开花后通过光 合作用获得的 [7] ,因此,水稻叶片在结实期间衰老快慢会 严重影响结实率及水稻产量[8,9] ;从理论上推算,水稻叶 片推迟1d 衰老,可增产2%左右[10] ,实际可增产1%左 右[11] 。总之,目前的研究普遍认为功能叶片早衰会导致 其丧失光合功能和同化作用,显著减弱干物质的积 累 [12] ,严重影响籽粒灌浆结实 [13,14] ,进而对水稻的产量 与米质带来不利影响。 1.2 叶片早衰评价体系 1.2.1 叶绿素、蛋白质含量 叶绿素和蛋白质含量的降 低,均可作为衡量水稻叶片衰老的可靠指标 [15,16] 。叶绿 素是吸收光能的主要色素,叶绿素的迅速丧失是影响叶片吸收光能从而导致光合速度下降的一个重要因素[17]。 叶片的衰老还与叶片内可溶性蛋白的减少密切相关 [18] , 可溶性蛋白主要是RuBp 羧化酶的降解导致光合能力急剧下降。叶片衰老开始时,叶绿素尚未破坏之前,叶片内蛋白质含量已下降到正常水平以下 [4,19,20],在叶片衰老 的过程中蛋白质的水解是主要的反应[20] 。 1.2.2 活性氧及其清除酶系统 植物生育后期体内产 生的活性氧、自由基增加及其清除系统能力的降低,机体内产生的活性氧不能被及时清除,造成对细胞及组织的
植物花发育过程的机理 09生本3班林良茂 摘要:植物花的发育是植物从营养体生长向生殖生长的结果，分生组织属性也经历从营养型向生殖型的转变相应。首先植物要经过一段营养生长时期，然后在一系列的内、外因素的作用下完成花诱导过程，然后形成花序分生组织、花芽分生组织，最后产生花器官原基并逐步分化为花器官。本文就花序的发育、花芽的发育、花器官的发育以及花型的发育四个方面浅论花的发育过程的机理。 关键词：植物花发育过程机理 前言 花器官的正常发育是植物赖以繁衍的基础I1I，一直以来，人们都在寻求揭示植物开花的奥秘，而花发育的研究多限于形态以及开花生理方面。20世纪80年代以来，随着分子遗传学手段的运用，借助于现代生物技术结合模式植物拟南芥和金鱼草的花发育突变体，花发育的研究在短短十几年内获得了突飞猛进的进展．成为为发育生物学研究中最引入瞩目的热点[21。随着发育分子遗传学的研究，人们慢慢的知道花发育的过程的机理。 1.花序发育的机理 花序的发育是花发育的第一步，标志着植物个体从营养生殖向生殖生长的转变[3]。植物生理学研究表明，花序的发育一般需要有一定的外界因子诱导，如光照长短、光质、温度、土壤水分等等。在一定的诱导条件下，营养型顶端分生组织属性发生渐变，到诱导结束，营养型分生组织发生不可逆转的变化，成为花序分生组织。许多研究表明，植物个体可用不同的部位感知不同的环境因子，然后导致成花。这表明植物内在存在不同遗传机理来感知不同的环境因子。相对应基因的突变能使个体对外界因子的感应能力发生改变，因而导致花序的发育时间有所变化。研究表明Emf、Tfl1和Cen基因直接与植物花序发育的遗传机理有关，对顶端分生组织的属性起着决定的作用。在前期， Emf突变，功能丧失后，个体发育仅有生殖发育，它对花序的发育有抑制作用，因为突变体表现花序发育的前体。在后期，当花序顶端分生组织发育后，Tfl1和Cen基因一样，都起着维持花序型顶端分生组织属性的作用。 2.花芽发育的机理
水稻不同生育时期的划分 一、生育时期的划分：生育时期可从形态、生长和发育、生理特征的角度分为几个时段。 (1)从形态和田间诊断角度分期 幼苗期：包括萌动、发芽、三叶等时期。 分蘖期：包括始期、盛期、末期(最高分蘖期)以及决定穗数关键时期的有效分蘖终止期。 穗分化期(长穗期)：包括穗分化各期、拔节期以及外观看到剑叶鞘膨鼓时的孕穗期。 结实期(成熟期) 包括抽穗开花期、乳熟期、蜡熟期、黄熟期和完熟期。 栽培上插秧稻又分秧田期和本田期，幼苗期和分蘖期的一部分在秧田期完成，但习惯上称秧田期为幼苗期，插秧后有一段缓秧过程叫返青期，其后再开始分蘖。
(2)从发育角度分期 可分为营养生长期、生殖生长期。这是以茎尖质的转变—穗原基开始(穗首分化)分化为标志分期的。 (3)从器官的生长发育角度分期 可分为营养生长期、营养生长生殖生长并进期、生殖生长期。各以穗原始体开始分化和抽穗开花期为界。 (4)从生理角度分期 可分为营养生长期、生殖生长期、结实期。这是以产量形成生理为根据的。即营养生长期主要形成供给器官，即吸收器官根和光合器官(源器官)叶；生殖生长期主要形成收容器官(库)颖花和支持器官(流)茎；结实期主要是光合物质和矿物质通过茎流向收容器官库被贮藏起来。为利用方便，常把分蘖期称前期，穗分化期称中期，结实(成熟)期为后期。 2. 常用生育时期的定义及标准： (1)生育期：指种子萌动到新的种子成熟所经历的日期。 (2)营养生长期：是指植株营养器官根、茎、叶的生长阶段，一般是从种子萌发到幼穗分化以前。这一阶段包括出苗期、分蘖期和拔节期。 (3)生殖生长期：是指植物生殖器官幼穗、花、种子的生长阶段，一般是从幼穗分化开始到新种子的形成。这一阶段包括孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期。 (4)苗期：以幼芽露青50%开始，一直到插秧，整个秧田期为苗期。对于旱育苗，黑龙江省水稻苗期一般为4月中下旬至5月中下旬。 立针期：第1片完全叶尚未展开时，稻苗呈针状，称为立针期。
水稻开花时间决定的光周期途径分子调控机制研究进展(一) 摘要植物的开花受到光、温、营养条件等环境因素和自身发育进程的影响。光作为一个最重要的环境因素,不仅能为植物提供能量,还对成花决定起着重要作用。综述了水稻光周期开花调控途径的最新研究进展,以期为水稻开花的研究提供参考。 关键词水稻开花;光周期;分子调控;研究进展开花是许多高等植物生命周期循环的一个重要过程。植物开花包括开花决定、成花启动、花器官的发育1]。植物能否成功地进行有性繁殖取决于精确的开花时间。开花决定受到环境信号和内源遗传信号的控制,是开花基因时空顺序表达的结果。在这些信号中,最重要的一个决定因素是植物对于光周期的反应。光周期指一日之内昼夜长度的相对变化,也即日长。植物对于这种相对变化做出的反应称为光周期现象。早在1852年,英国植物学家ArthurHenfrey2]就认识到日长对于开花的重要性。20世纪20年代,Garner和Allard3]发现光照长度对植物的生长和发育,尤其是对决定植物开花时间起着重要作用。根据对光周期的反应,一般可将植物分为3种:对长日照敏感而成花的为长日照植物;对短日照敏感而成花的为短日照植物;对日照长度不敏感的为光期钝感植物。拟南芥和水稻分别作为开花时间调控研究的长日照植物和短日照植物的模型。目前,对控制拟南芥开花的光周期途径,已经有较为完整和深入的研究4]。现结合拟南芥有关光周期开花调控的研究进展,就有关决定模式生物水稻开花时间的光周期调控的主要研究进展作简要综述。 1光周期反应的控制模型 植物要对不同的光周期做出反应,那么应该存在某种机制对日长进行度量和记忆。关于植物度量日长存在2个模型:一是外部一致模型。Bunning3]首先提出,植物存在一个潜在的昼夜节律钟。24h单位的昼夜分为光敏期和暗敏期。当植物在光敏期,昼夜节律钟调节因子的表达达到一个阈值时,若处于光照条件下,则会促进长日照植物开花,而抑制短日照植物开花2,4,5]。二是内部一致模型。光信号产生2个不同的周期性功能(促进或抑制),只有当2种节律是同步的时候才会诱导开花,反之则抑制开花5]。目前,外部一致模型已经被很多研究所证实,得到较多的认同3,5-7]。 2光信号感受和昼夜节律调节 确定日长后,植物还需要区分白昼和黑夜,这主要是通过可以感受光信号的光受体来实现的。已知拟南芥中参与光周期开花时间决定的光受体包括光敏色素和隐花色素。在水稻中,光敏色素是光周期开花决定的主要光受体。水稻只存在3个光敏色素基因PhyA、PhyB和PhyC。PhyA在长日下抑制水稻开花,这同在拟南芥中的作用是相反的。PhyB的功能在拟南芥和水稻间是保守的,都抑制植物开花。PhyC的感光模式同拟南芥不同,在水稻中主要吸收远红光,而在拟南芥中主要吸收红光8]。此外,水稻中也存在隐花色素OsCRY1和OsCRY2,同拟南芥中的功能相似,均能促进水稻开花9]。 光受体接受光质信号后,将其传递给昼夜节律钟基因,节律基因收到光信号后启动表达。通过昼夜节律钟的输出系统将节律信号输出给下游响应节律的调节基因和开花时间基因。节律基因所表达的蛋白遵从一个自身反馈的环状调节的机制。目前比较清楚存在于拟南芥中响应昼夜节律的反馈调节机制是:TOC1和ELF4促进CCA1、LHY的表达,黎明,CCA1、LHY受到光的刺激开始表达,表达量逐渐增加,同TOC1和ELF4启动子调控元件结合,抑制TOC1和ELF4的表达。夜间,CCA1、LHY的表达降至最低,这时TOC1和ELF4的表达抑制被解除,随着表达的累积又重新起始对CCA1、LHY表达的激活,开始新一轮的循环10-12]。 水稻中只存在1个与拟南芥LHY和CCA1同源的基因OsLHY。该基因的表达也呈现昼夜节律性变化9]。此外,水稻中也发现存在PPRs基因家族OsPPR,受到昼夜节律的调控。MasayaMurakami6]等发现1条由OsPRR73(OsPRR37)→OsPRR95(OsPRR59)→OsPRR1依次顺序表达的基因流。水稻OsPPR基因是否确实参与昼夜节律钟还需要进一步的研究验证。 3光周期反应的分子机制
综述番茄开花诱导、分生组织的分子生物学研究引言 开花植物（被子植物）作为陆生植物中最大的族群，现已超过了250 000种。开花对于所有开花植物来说是生活史上的一个质变过程，是植物个体发育过程的中心环节；而对于人本身来说，色彩斑斓、气味芬芳的花不仅愉悦了人的身心，种类繁多的种子与果实也为人类提供了丰富的食物。故研究开花植物的开花过程，阐明其分子生物学上的调控机理无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。Yanofsky 等（1990）在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中首次克隆了花同源异型基因agamous（AG），标志着高等植物花发育研究进入分子遗传学阶段。 从发育生物学角度来看，高等植物经过一段时期的营养生长后，在合适的外界条件（其中重要的有日照长度、光质及温度）下，才能进行由营养生长（vegetative development）向生殖生长（reproductivedevelopment）的转变，才能开始花的发育。总的来说，花的发育过程在时间上大致分为4个阶段：（1）开花过渡（flowering transition），植株响应外界环境以及自身信号，由营养生长转向生殖生长，这个过程受一系列与开花时间相关基因的调控；（2）分生组织特征基因激活，植株响应从不同开花时间调控途径而来的信号，激活分生组织特征基因，决定分生组织属性；（3）花器官特征基因的激活，分生组织特征基因激活位于不同区域的花器官特征基因；（4）花器官形态建成，花器官特征基因激活下游的器官形态建成基因，决定组成各器官的特异细胞类型和组织（Jack, 2004）。 番茄（Solanum lycopersicum L.）是很重要的经济作物，同时也是用于双子叶植物花发育机理研究的一个重要模式植物。通过多年来不断的分子生物学上的深入研究，已有10 个与番茄开花诱导及分生组织特征相关的基因被鉴定，将番茄与拟南芥相关基因比较发现两物种在花发育分子生物学上兼具保守性和多样性（表1）。本研究旨在对番茄花发育过程中开花诱导和分生组织特征决定这两个阶段已有的分子生物学研究进展，以及花器官特征决定、花器官形态建成阶段中各器官形态学特征进行综述，并与拟南芥上已有的研究做一个初步的比较，简要阐述两物种在花发育过程中的保守性及多样性。 过去20年，虽然对番茄花发育分子生物学的研究已取得了很多成果，但很少有对这些研究进展整合性的报道。本研究综述了番茄花发育开花诱导、分生组织特征决定这两个阶段已有的分子生物学研究主要进展，为对这番茄花发育调控网络进行更深入更精确的研究提供理论依据。
分子生物学主要研究内容 1. 核酸的分子生物学。 核酸的分子生物学研究 核酸的结构及其功能。由于 核酸的主要作用是携带和传 递遗传信息，因此分子遗传 学是其主要组成部分。由于 50年代以来的迅速发展，该 领域已形成了比较完整的理 论体系和研究技术，是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。研究内容包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则是其理论体系的核心。 2. 蛋白质的分子生物学。 蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子──蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。 3.细胞信号转导的分子生物学。 细胞信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。 4.癌基因与抑癌基因、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。 从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人类最终征服癌症做出重要的贡献。
一、名词解释 1、花器官发生ABC模型：完全花器官由花萼（1轮）、花瓣（2轮）、雄蕊（3轮）、雌蕊（4轮）组成。A类（AP1、AP2）、B类（AP3/PI）、C类（AG）调控因子分别与SEP1、 2、3形成不同的聚合体，分别在1轮（A）、2轮（AB）、3轮（BC）、4轮（C）控制相应部位花器官的分化和形成。 知识点： 拟南芥花的结构有4轮：第一轮花萼，第二轮花瓣，第三轮雄蕊，第四轮雌蕊（心皮）。花型是在几组基因的协调作用下顺序形成的，即各花器官在特定的部位、特定的时间专一化形成，这种机理被称为ABC花器官决定模型。在这个模型中，A、B、C三类基因决定4轮花器官的定位和形成。其中A、C互相抑制。A分布在第一、二轮，C分布在第三、四轮，B分布在第二、三轮。这样就形成了A、AB、BC、C4种基因的分布组合，决定了第一、二、三、四轮花器官分别为花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊。A基因是AP1/AP2，B基因是AP3/PI，C基因是AG。最近发现仅有ABC类基因不能形成花器官，需要一类D基因SEP1、SEP2、SEP3的共同参与花器官决定，SEP蛋白与ABC产物以四聚体形式发挥作用。 2、春化作用：是植物需要经过一段时间的低温处理才能开花的现象。目前发现低温促进开花是由于三种蛋白VRN1、2、VIN3在低温下诱导表达，它们抑制开花负调控基因FLC的表达，从而促进开花。 相关链接：春化作用是指过冬植物经过冬季的低温处理逐渐积累某种物质，下调FLC的表达，加速开花的过程。 3、光敏素（PHY）：是一种N端感光区与线形四环吡咯发色团共价结合的蛋白质复合体，接收红光/远红光后，蛋白质的构象改变，C端激酶活化，通过磷酸化将光信号传导下去。 光敏素有5种形式：PHYA、B、C、D、E。 4、根边界细胞：是生长到一定长度的根尖处由根冠外围细胞脱离的、有组织的活细胞，其功能是防御和帮助植物吸收营养。环境因素和遗传因素控制边界细胞的释放。 知识点：从根冠分离的细胞被定义为根边界细胞，它是从植物根冠区域释放的，受植物激素和环境的调节控制，需要植物降解酶类的活性。根边界细胞不是死细胞，细胞内含有大量高尔基体、分泌小泡、线粒体，在植物根际环境中对抵抗生物和非生物的胁迫十分重要。由根冠形成的边界细胞时程序确定的，在植物与环境交界面起着物理、生物和化学作用。 5、近轴-远轴极性决定基因：近轴远轴特性是指以某器官中心轴为基准，近的是近轴，远的是远轴。例如HD-ZIP III类基因PHB、PHV、REV决定植物的近轴特性，抑制远轴特性。KANl\2\3类基因、YAB类的YAB3、FIL决定远轴特性，抑制近轴特性。 二、填空题 1.根表皮由（生毛）细胞和（非生毛）细胞组成。（低WER/CPC）比例决定前者，而后者由（高WER/CPC）比例决定。 根表皮细胞有2类：生毛细胞和非生毛细胞。生毛细胞发育成根毛，位于下面皮层细胞的裂缝间；而非生毛细胞形成无根毛的表皮细胞，位于皮层细胞外面。在细胞壁上的受体样激酶SCM介导皮层细胞信号，抑制WER的转录；同时SCM 也受到WER的负反馈调节和CPC的正反馈调节，在生毛细胞壁上形成量多，
学号2007218018 昆明理工大学硕士研究生 综述 专业微生物学 姓名贾卉 入学时间2007年9月 日期2009年1月8日
CcdB分子生物学研究进展 摘要：毒素-抗毒素系统广泛存在于质粒及大肠杆菌染色体中，在缺乏抗毒素的情况下，毒素通过作用于细胞内不同的酶，使细胞中毒，最终导致细胞死亡。本文综述了ccd系统及自杀基因ccdB的作用原理和机制。 关键词：毒素-抗毒素系统、Ccd系统、CcdB Key words: Toxin-antitoxin system, Ccd system, CcdB 毒素-抗毒素（Toxin-antitoxin，TA）系统是一种可能与细胞生长阻滞或是细胞凋亡有关的系统。该系统最初发现存在于大肠杆菌F质粒上[1]，典型的TA系统由两个基因构成。两个基因分别编码一种稳定的毒素蛋白和一种不稳定的抗毒素蛋白，毒素对细菌有致死作用，而抗毒素通过与毒素形成复合体，中和毒素的毒性，使宿主菌能够存活。 TA系统主要存在于一些低拷贝质粒上，细菌分裂后，不稳定的抗毒素蛋白被迅速降解，不具有质粒的子代细菌就会被稳定的毒素蛋白杀死，这种作用称为分裂后致死效应（the post segregation killing effect，PSK），近一步研究发现在大肠杆菌的染色体上也存在TA系统，但染色体上的抗毒素蛋白对毒素蛋白并不能起到解毒的作用，只有依靠质粒上的抗毒素蛋白才能保证细菌存活，低拷贝质粒正是依靠TA系统的PSK效应，稳定在宿主中存在。 目前已知的TA系统包括7个质粒编码TA基因家族：ccd、mazEF、vapBC 、phd/doc、parDE、higBA和relBE[2, 3]。虽然TA系统在基因结构和调控模式上十分相似，但是每种毒素的作用原理却存在很大差异。CcdB和ParE通过使促旋酶失活抑制DNA复制，使细胞中毒。RelE通过切割mRNA，抑制翻译过程导致细胞凋亡。而HigB的作用机理目前尚不清楚。1．Ccd系统 Ccd（control of cell division or death）为F质粒小F复制子上的一个组件，F质粒共编码三种TA基因系统[4]，Ccd系统[5]只是其中的一种，由CcdA和CcdB两个基因共同构成，也可以称为H、G或是letA、letB，分别编码两种小分子量蛋白：CcdA蛋白（8.7kDa）与CcdB蛋白（11.7 kDa）。CcdA蛋白易被Lon蛋白酶降解，在系统中起到解毒剂的作用，CcdB蛋白较CcdA蛋白稳定，是一种细胞毒素，在没有解毒剂存在的条件下，可以导致细胞凋亡。 2．CcdB
水稻开花 稻花没有花萼和花冠，它的1枚雌蕊和6枚雄蕊是被两个颖片（外颖和内颖）紧密封藏在内的。一个稻穗的全部花朵要5－8天才能开完，每天开放的稻花有一定数额。上午当气温上升时，当天注定将要开放的花就陆续开放。这时，隔着阳光你可以透视到颖片内的花药阴影由于花丝伸长被逐渐推举到颖部顶部。同时，颖片像两片蚌壳似的逐渐张开。花药刚刚接触到外面的干热空气就很快破裂，将花粉撒落到雌蕊的两片羽状柱头上，这就是它的自花授粉过程。颖片继续张开，花药挂到颖外，其中所含的剩余花粉随风飘荡，有些花粉落到其他正在开放的花中就可能异花授粉。但因为多数花已完成自花授粉，所以除非是特殊情况很难异花受精。雄性不育便是一种特殊情况，雄性不育系自身的花粉败育了不能自花受精，非依靠异花授粉受精不可。杂交水稻就是这样诞生的。稻花的颖片开放到最大程度后，又逐渐闭拢，将已经完成授粉受精的雌蕊封藏在内，从此不再开放。受精的子房慢慢发育成米粒，大约25－40天后，米粒成熟，颖片也由原来的绿色变成黄色的谷壳。 稻花颖片的开放和一般花瓣不同，它不是像花瓣那样自行开合，而是由颖片内方基部两枚称为浆片的微小结构所操纵的。开花前，浆片呈扁平状；临开花时，浆片迅速由穗部吸水膨胀，向外方挤压颖片，促成开花。以后，浆片又失水收缩，颖片随即闭合。浆片就这样在稻花的开闭上起着“开关”的作用。 水稻开花对外界条件十分敏感。气温的影响最为明显。如果将稻穗浸入42－43摄氏度温水中8－10分钟，或用相当的温热水汽处理，可以促使预定在当天逐步开放的稻花顷刻间同时开放。适当的水温或气温不仅起到催花的作用，同时也能杀死花粉而不影响雌蕊的受精能力。这就是曾经在水稻杂交育种中广为应用的“温汤去雄”与“温汽去雄”技术的原理。稻花对光照强度的变化也比较敏感。不信的话，你可以做一个简单的实验：取一方黑布，蒙在开花前的稻穗上，10分钟后揭开黑布。嗬！当天该开的花瞬间全开放了。甚至一般的触摸也会促进开花。例如用手抚摸稻穗，也可以促使部分花朵提前开放。 我们曾经发现一个前人没有报道过的现象，即挥发性化学试剂的催花作用。这是一次偶然的发现：一天，我们用彩漆涂在稻花颖片上，用以研究水稻的开花习性。奇怪的是，被彩漆涂过的稻花中竟有一些提前开放。这是什么缘故呢？我们猜想这应该不是由于颜料本身，而是由于溶解颜料的有机溶剂在作怪。于是取得多种有机溶剂（如二甲苯、乙醚、氯仿、酒精、福尔马林等）分别进行试验。为了不伤害稻穗，我们将药棉吸入试剂后置入玻璃瓶内，将玻璃瓶倒覆稻穗，观察试剂气体的影响。果然，不同试剂有不同程度的催花效果。温度、黑暗、触摸、化学气体都有促进水稻开花的作用，这不是很奇妙吗？按照现代生物学的观点，这类生物学效应都可以归为一种称为“信号转导” （Signaltransduction）的内在机制。简单地说，就是某种体外或体内的信号作用于生物机体后，引发一连串内部的生物化学过程，最终导致某种生理现象。水稻开花的信号转导机理至今还没有人研究，也许等待有一天由读者去揭开这一谜底呢！
环境因子对水稻根系的影响 报告人：邓亚萍导师：王忠 水稻根系既是吸收养分和水分的重要器官,又是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所,其形态和生理特性与地上部的生长发育、产量和品质形成均有着密切的关系。自1919年Weaver 首先报道根系与生态关系的研究结果以来，人们开始对植物根系进行了广泛的研究。其中，根系的形态结构与活性及其与产量的关系一直是水稻根系研究的一个热点，其核心问题是高产水稻应该具有什么样的根系形态生理特征及高产水稻根系在不同的环境条件下的应答。 在由于自然状态的根系生长在黑暗条件下以及研究方法的局限,过去国内从事根系形态结构及环境因子对水稻根系影响的研究较少,近二十年来不少学者已陆续开展了环境因子水稻根系影响的研究，积累了众多经验，本文对已有的结果进行了总结。 1.温度因子 温度几乎影响着植物所有的生物学过过程，在植物的生长发育过程中起着重要的作用。对 于根系而言，根际温度更是影响着根系的生长发育、形态结构及根中各种代谢过程。 水稻根系大部分集中在0～20cm耕层中,土壤温度变化也以0～20cm土层内最为明显。因此,这个层次的温度变化对水稻根系影响最大。水稻根系的生长受温度的影响主要表现在生长前期根系的形成和生长后期的衰竭,水稻根系生长的最适温度是28～32℃，当水温在16℃以下时,根的生长几近停滞,当温度上升到28℃时,支根生长良好,地上部与地下部均可得到最大限度的协调增长。在此界限以内,温度越高,地上部发育越好;温度低时,则根部的生长量增大。Neilsen(1974)认为,在根系生长的最适温度或较高温度下, 有利于根系的发生伸长, 相反较低的土壤温度则可以延缓根系细胞的衰老, 延长根系生理活性。吴岳轩(1995)研究也证实了高温有利于根系发生伸长这一结论。同时他也指出, 后期高温会加速根系衰老进程。由此可见, 水稻根系发育和根系生理活性对温度高低的需求是不同的。根系生长时期不同, 根系着生位置不同, 温度的影响也不同。总之,水稻根系发育和根系生理活性对温度高低的需求是有差异的,不同时期、不同着生位置的根系对温度的要求也各不一样。王忠（2003）的研究表明在供试的4个温度处理中，10℃时水稻发生冷害，根系停在生长，看不到负向光性反应；20℃时水稻根系生长，有负向光性反应；在30℃时稻根的生长和负向光性反应最快；40℃时稻根的生长量和根负向光性倾斜度降低。 目前有关温度对水稻根的内部形态，及生理生化方面的研究还不是很多，主要有：S.B.Varade 的研究指出在提高温度及光照强度，加能量输入，促使稻根中孔隙度的增加。而温度对水稻根系生理代谢的影响，主要是通过影响各种酶的活性以及促进或抑制某些植物激素的合成和运输来调节根系代谢。Lakkakula（2004）认为温度对水稻根中谷氨酰胺合成酶（GS）活性具有相反的作用，23℃下生长的水稻根的GS活性明显高于32℃下生长的活性。低的根区温度常会减少作物根系CTK、GA的合成和向上运输,同时增加根系ABA的合成和向上运输。 2.水分因子 水稻根系对土壤水分的反应非常敏感。田间持水量的不同会对根系的生长发育及分布产生影响。吴志强(1992)的研究表明淹水田根系主要分布在土壤上层,密集成网,而湿润灌溉和旱田栽培的稻田上层根较少,根系主要分布在中下层。张玉屏等(2001)认为土壤水分为田间持水量的70%～75%时最有利根系的生长发育,土壤水分过多或过少,都会导致根干重、根系吸收面积的全面下降;而且生育时期不同,根系对土壤水分的敏感程度也不同,如分蘖期干旱对根系生长发育影响较小,