虽然铵态氮和硝态氮是植物生长直接吸收利用的主要氮素形态,但是土壤中90%以上的氮素以有机态存在,其中氨基酸是土壤中主要的小分子有机含氮化合物,占土壤全氮的15-60%。氨基酸作为氮素营养能被植物根系吸收,也可能作为信号分子调控植物的生长发育。Walch-Liu等曾发现,50μM的L-谷氨酸（L-Glu,简写Glu）即可强烈抑制拟南芥C24幼苗的主根生长并激发较多的侧根发育,故而推测Glu可能像在动物中一样作为信号物质调控植物根系的生长,但是目前关于氨基酸如何影响根系生长和形态建成的生物学机理仍缺少报道。本课题组在研究除Glu之外的18种L-氨基酸影响拟南芥根系生长的工作中,发现仍有几种氨基酸在较低浓度时显著抑制拟南芥主根的生长,其中包括L-亮氨酸（简写为L-Leu或Leu）和L-赖氨酸（简写为L-Lys或Lys）。因此,本论文通过运用多种生物学研究技术,如培养基上的根系表型鉴定,组织化学染色、树脂切片显微观察以及转录组学分析等,对拟南芥根系生长发育响应外源Leu和Lys的表型特征和可能性的分子生物学因子进行了较详细的剖析,主要的研究结果如下:拟南芥植物幼苗（Col-0）在含有不同浓度的Leu或Lys的1/50 B5（1 mM NH4NO3为氮源）培养基上生长5天后,发现60μM Leu和Lys可明显改变根系的生长表型:主根生长受到严重抑制（抑制率在60%以上）,侧根和根毛的数目及长度皆有显著增加,根毛的着生位置明显靠近主根根尖部;在此浓度下,其它生态型拟南芥如Ws、Ler、C24、RLD1的根系生长发育有不同程度的敏感性反应;此外,亮氨酸和赖氨酸的D型异构体以及不同形态的氮源对拟南芥幼苗根系生长响应L-型Leu和Lys的现象没有明显的影响。由此推测,L-Leu和L-Lys调控植物的根系生长及形态建成应具有其特定的遗传学机制。采用分块培养基将幼苗不同组织部位局部接触Leu或Lys后观测,发现主根根尖可能是响应氨基酸的敏感部位。生长表型恢复试验发现,在去除氨基酸处理之后,生长受到抑制的主根的生长速率即能恢复到正常水平,由此说明根系生长对外源Leu和Lys敏感性反应是可逆的或没有“系统记忆性”。根据上述研究结果,我们推测Leu和Lys能够作为一类强有效的生长调节物甚至很可能作为信号分子调控植物根系的生长发育。运用组织细胞解剖学分析、化学组织染色以及显微观察技术,发现Leu和Lys抑制主根生长主要是通过影响主根根尖细胞正常的分裂、分化及伸长生长而实现的。与对照相比,Leu或Lys处理后的幼苗的主根根尖分生区、伸长区及成熟区的面积缩小及其细胞伸长生长受到强烈抑制,细胞的大小及表皮细胞的数目均明显减少,而且根尖分生区细胞的分裂活性显著降低,并伴以生长素水平的下降。通过对植物激素、多胺及其合成前体L-精氨酸是否影响根系生长响应Leu或Lys的相关性研究,发现生长素、茉莉酸甲酯能够很大程度上缓解Lys的主根抑制效应,而精胺和亚精胺及L-Arg能够解除主根对Leu和Lys的敏感性。由此推测,IAA、MeJA和PAs这类激素很可能参与了 Leu和Lys调控根系生长的机理过程;L-Arg抑制根系生长对Leu和Lys的敏感性反应很可能与调整/改变植物体内多胺类激素的代谢和水平有关。此外,对20个拟南芥谷氨酸受体基因（AtGLRs）突变体根系生长响应Leu和Lys的敏感性鉴定,以及谷氨酸受体拮抗剂（6,7-二硝基喹喔啉-2,3-二酮,简写DNQX）的作用效果的检测,结果发现:潜在的谷氨酸受基因功能冗余可能是导致单个基因的突变不影响根系生长对Leu或Lys敏感的重要原因之一,因为DNQX能够显著降低野生型植株根系生长响应Leu或Lys的程度,因此不能排除谷氨酸受体参与植物感应外源Leu或Lys而调控根系发育的分子机理可能性。通过基于RNA测序的根部转录组的解析,在Leu或Lys处理下分别鉴定到27和96个差异表达基因（DEGs）,其中上调表达的基因主要涉及到激素、氨基酸等的代谢,糖类、磷脂、离子如Ca2+的转运、激酶等的信号转导以及胁迫响应等过程;下调表达基因主要参与碳水化合物、细胞壁物质、氨基酸、次生代谢物等的代谢过程以及胁迫响应及激素等的信号转导。这些具有显著表达差异的基因可能涉及到根系生长响应外源Leu和Lys分子生理学过程,因此这些基因可作为候选者,为下一步深入探索根系生长发育的具体生物学机理提供分子研究的靶标。