【摘 要】
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由于固着生长的特性,自然界中的大部分植物必须应对环境中的各种不利因素。机械力作为如膨压、重力、触碰、风、雨、损伤、虫食、空间障碍等环境因子的重要组成部分,对植物的生长发育十分重要。相应地,植物进化出了感知和响应机制以应对不同的机械力刺激。目前认为机械压敏离子通道蛋白在植物对机械力的感知过程中发挥重要功能。近十年以来,有关动物中机械压敏离子通道Piezo的研究取得了一系列突破性进展。Piezo作为机
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由于固着生长的特性,自然界中的大部分植物必须应对环境中的各种不利因素。机械力作为如膨压、重力、触碰、风、雨、损伤、虫食、空间障碍等环境因子的重要组成部分,对植物的生长发育十分重要。相应地,植物进化出了感知和响应机制以应对不同的机械力刺激。目前认为机械压敏离子通道蛋白在植物对机械力的感知过程中发挥重要功能。近十年以来,有关动物中机械压敏离子通道Piezo的研究取得了一系列突破性进展。Piezo作为机械压敏离子通道,在触觉感知、本体感觉、血管血流调节,神经及压力感受细胞的增殖等过程中发挥重要功能。有意思的是,生物信息学分析表明植物中也存在Piezo的同源基因。本研究以模式植物拟南芥和粮食作物玉米为材料,系统的研究了动物Piezo在植物中的同源基因的潜在功能。通过分析拟南芥At Piezo的表达模式,发现At Piezo在根冠、保卫细胞、花粉等部位表达。在拟南芥原生质体中瞬时转化At Piezo基因,发现At Piezo蛋白在液泡膜上定位。遗传学和生理学实验表明At Piezo在植物根冠对机械力的感知过程中发挥功能,揭示At Piezo可能通过调节根冠中钙离子流动,从而影响植物根冠在不同力学环境下的形态。同时,本研究初步揭示At Piezo在触摸感知、花粉萌发过程中可能发挥功能。除了双子叶模式植物拟南芥,本研究对单子叶植物玉米中的Zm Piezo基因功能也展开了研究。研究结果表明,Zm Piezo在根尖的表达量较高。通过构建玉米Zm Piezo的缺失突变体进行表型观察,发现玉米zmpiezo突变体根系发育异常,揭示Zm Piezo可能通过对土壤机械力的感知从而影响植物根系形态建成,同时也发现Zm Piezo通过调节玉米的花粉萌发过程影响了玉米结实。本研究通过对拟南芥和玉米中Piezo同源基因的研究,初步确定植物Piezo基因与动物同源基因类似,在响应机械压力的过程中发挥功能。但与动物中Piezo不可或缺的功能相比,植物Piezo只在特定生物学过程中发挥功能,这可能与动植物之间细胞结构的差异以及对机械力响应的适应进化有关。因此,本研究中对植物Piezo功能的解析,有助于我们深入了解植物对机械力这一物理信号感知及响应的分子机理。
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