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植物营固着生长的生活方式决定植物只有不断适应变化的环境,才能保证自身的生存和后代的繁衍。植物根系不但为植物提供物理支撑,还是植物从土壤中吸收水分、矿质营养以及响应生物或非生物胁迫的主要部位。铜作为植物必需的微量元素在植物生长发育中扮演重要角色,然而过量铜对植物发育又是一种毒害。目前已有研究涉及铜调节植物根系发育,但是关于铜调节植物根系发育的方式和机理并不清楚。我们实验发现,不同浓度的外源Cu2+处理,可以诱导拟南芥野生型侧根的生长和发育,其中50?M Cu2+处理最为明显,然而拟南芥At NOA1基因的突变,显著抑制Cu2+诱导的侧根生长,Atnoa1突变体的功能回补植株Com-1、Com-2明显恢复了At NOA1基因突变造成的侧根发育抑制,上述结果证明Cu2+可以有效诱导拟南芥侧根生长,At NOA1蛋白参与Cu2+诱导的侧根形成过程。已有研究证明,At NOA1调节植物体内NO平衡,推测Cu2+诱导侧根发育可能与植物体内NO合成及平衡有关,为此我们设计不同浓度的SNP,处理拟南芥野生型、Atnoa1突变体以及功能回补植株,发现外源20?M SNP处理,有效诱导WT、Atnoa1突变体以及功能回补植株侧根形成,然而At NOA1基因的突变,并不明显影响NO诱导的侧根形成,暗示At NOA1调节Cu2+诱导的侧根形成可能依赖于植物体内NO浓度及平衡,但是具体的机制还有待进一步的研究。重金属造成的植物氧化胁迫可能是其对植物的最大伤害,试验用DAB染色跟踪铜处理前后H2O2含量变化,发现与拟南芥野生型相比,铜处理可导致Atnoa1突变体中H2O2含量明显增加,那么大量增加的H2O2在Cu2+诱导侧根发育中起什么样的作用?为此我们以催化活性氧ROS产生的NADPH氧化酶Atrboh D/F突变体和植物氧化胁迫重要调节子CEO1突变体ceo1为材料,以50?M Cu2+处理观察侧根发育情况,发现Atrboh D/F突变体的侧根数目明显增加,并且是WT的1.5倍,ceo1突变体侧根数目也增加,但是与WT差别不大,证明植物体内H2O2含量多少对铜诱导侧根形成影响不大。Ca2+作为植物体内的第二信使,可以通过浓度、空间定位、震荡的周期、频率和振幅等特异性钙参数变化形成的Ca2+信号,在植物生长发育和应答环境胁迫中起重要作用。为观察Ca2+信号在铜诱导的拟南芥侧根发育中可能的角色,我们将水母发光蛋白(AEQ)分别转入拟南芥野生型和Atnoa1突变体以及功能回补植株Com-1中,借助水母发光检测仪标定铜处理前后不同植株的Ca2+变化,发现50?M Cu2+处理明显诱导拟南芥野生型植株根中Ca2+的升高,At NOA1基因突变可抑制Cu2+诱导的Ca2+升高,该抑制现象可以有效被Atnoa1突变体功能回补植株Com-1回补,相似的结果在我们利用YC3.6标记植物根细胞Ca2+的变化中重现,证实Cu2+诱导拟南芥根中Ca2+的升高可能受At NOA1蛋白调控。同时发现实验中加入La3+和EGTA也可抑制Cu2+诱导拟南芥根中Ca2+的升高,暗示Cu2+诱导拟南芥根中Ca2+的升高可能来源于胞外Ca2+的内流。上述结果证明,Ca2+可能作为At NOA1的下游信号分子,参与铜诱导的侧根发育,At NOA1对Ca2+浓度的调控可能依赖于Ca2+通道活性调节胞外Ca2+的内流实现。生长素可有效调节植物侧根的生长与发育,Cu2+诱导拟南芥侧根的形成是否依赖其对生长素的调控实现,为此我们通过杂交构建Atnoa1-DR5::GUS和Atnoa1-DR5::GFP材料。用50?M Cu2+对上述材料进行time course处理,随后进行GUS组织染色和GFP荧光分析。GUS染色结果表明,Cu2+处理诱导生长素从根尖向侧根形成部位转移,但是Atnoa1突变体中生长素的转移被明显抑制。激光共聚焦显微镜分析结果表明,生长素的转移主要通过维管束和外皮层进行,与GUS染色结果一致,GFP荧光分析也证明Atnoa1突变体中没有生长素的转移。生长素的转移主要通过内流载体和外流载体的运输。为探讨At NOA1是调节生长素内流还是外流进而影响侧根发育,我们分别用生长素外流载体抑制NPA和内流载体抑制1-NOA进行处理,发现NPA处理部分的恢复了At NOA1基因突变对铜诱导侧根生长的抑制,而1-NOA可部分抑制铜诱导的拟南芥侧根发育。相同浓度的NPA和1-NOA单独处理也表现为NPA促进侧根发育而1-NOA部分抑制侧根发育。上述结果表明At NOA1主要调节生长素内流活性。综上所述,At NOA1可能通过影响Ca2+通道活性,降低钙离子浓度,进而影响生长素在植物根系中的转移和分布,参与调节铜诱导的侧根发育。