Mg²⁺是植物生长发育所必需的大量元素之一,参与光合作用及各种新陈代谢进程。拟南芥Mg²⁺转运蛋白家族AtMGT与细菌的CorA家族同源,已在细菌及酵母中证明具有Mg²⁺转运能力。近几年,At MGT家族的几个成员在拟南芥体内承担的生理功能得到了进一步阐述,但是At MGT4在拟南芥体内行使怎样的功能还没有任何文献报道。因此,对AtMGT4在拟南芥的生长发育中的功能进行研究,可以丰富人们对AtMGT家族基因生物学功能的了解,加深对植物在器官、组织、细胞水平转运Mg²⁺的机制的认识。本文以AtMGT4转座子插入缺失突变体为材料,利用分子、细胞学等技术手段来探讨该基因的功能,获得如下结果:首先,鉴定得到Ler.背景的AtMGT4突变体,命名为mgt4-1。从+/mgt4-1自交后代中无法得到纯合突变体。利用Hoechst 33342荧光染料观察花粉细胞核形态发现+/mgt4-1约有50%的花粉无细胞核,为败育花粉;利用+/mgt4-1与Ler.生态型进行正反交实验,+/mgt4-1（♀）×Ler.（♂）子代杂合型与野生型各占一半,Ler.（♀）×+/mgt4-1（♂）子代基因型全部为野生型。在Col.生态型中利用AtMGT4自身启动子启动At MGT4-RNAi同样会导致花粉败育,同时在mgt4-1中恢复AtMGT4表达又可以恢复花粉育性,这些实验结果表明AtMGT4缺失会导致拟南芥花粉败育。其次,对突变体花粉的败育时期进行了研究。利用Hoechst 33342荧光染料观察不同发育时期的花粉细胞核形态,+/mgt4-1在二胞花粉期即有约50%的花粉粒细胞核已经降解,同时细胞出现明显皱缩;利用石蜡切片观察拟南芥花药及花粉的发育过程,+/mgt4-1约有一半的花粉在花药发育的S11期开始出现皱缩,细胞内出现苏木精染液无法着色的空泡。这些实验结果表明+/mgt4-1中的花粉败育发生在二胞花粉期。再次,对基于GUS报告基因的组织表达模式进行了分析,发现AtMGT4主要在拟南芥的根尖、侧根发生处、根茎过渡区、茎端分生组织以及维管组织等部位表达。而在生殖器官中,At MGT4在花药绒毡层及二胞、三胞、成熟花粉中有显著表达。接着,对At MGT4的亚细胞定位进行了观察。将内质网红色荧光标记物Bip-RFP与AtMGT4-EGFP共转化拟南芥叶肉原生质体,在激光共聚焦显微镜下RFP荧光与EGFP荧光可以较好地重叠,表明At MGT4定位于细胞的内质网上。另外,为进一步探讨AtMGT4在营养器官中的功能,构建了花粉表达但营养体缺失AtMGT4的嵌合体突变株。利用花药特异性表达的AtMGT5启动子,在+/mgt4-1背景下用AtMGT5启动子驱动AtMGT4表达,得到了花粉育性正常而营养体缺失AtMGT4的嵌合突变体,简写为mgt4-1,并对该突变体的表型进行了分析。在3 mM Mg²⁺条件下,mgt4-1与Ler.的长势基本一致;而在0.01 mM Mg²⁺下,萌发后第4天mgt4-1子叶发黄,明显小于Ler.,下胚轴也较Ler.短,进一步生长后与Ler.比较发现mgt4-1表现出植株矮小、侧根稀少的表型。利用整体透明技术观察了mgt4-1子叶栅栏细胞的大小及数目。在3 mM Mg²⁺生长条件下,mgt4-1子叶栅栏细胞较Ler.稍小,而细胞数目与Ler.无明显差异;在0.01 mM Mg²⁺生长条件下,mgt4-1子叶栅栏细胞无论是大小还是数目均显著低于Ler.,该实验结果表明在0.01 mM Mg²⁺低镁条件下,mgt4-1子叶的细胞大小及数目均低于Ler.,导致mgt4-1表现出植株矮小的表型。利用ICP-OES技术分析了不同Mg²⁺条件下,mgt4-1体内的Mg²⁺含量。在3 mM Mg²⁺生长条件下,mgt4-1地上部分的Mg²⁺含量显著低于Ler.,而地下部分的Mg²⁺含量mgt4-1与Ler.无明显差别;在0.01mM Mg²⁺生长条件下,mgt4-1无论是地上部分还是地下部分的Mg²⁺均显著低于Ler.。Ler.地上部分与地下部分Mg²⁺之比在3 mM Mg²⁺生长条件下为1.6:1,而在0.01 mM Mg²⁺下这一比例降为1:1;而mgt4-1地上部分与地下部分Mg²⁺之比不论在3 mM Mg²⁺还是0.01 mM Mg²⁺下都接近1:1,表明在mgt4-1体内,Mg²⁺在地上部分和地下部分之间的分配不会响应外界Mg²⁺浓度的变化。实时荧光定量PCR分析表明低镁条件下mgt4-1在受到ER-stress诱导物衣霉素刺激时,能够上调AtBip1、AtBip2、At CNX1、AtCRT1a、AtCRT1b的表达水平,但其中AtCRT1b的上调倍数明显高于Ler.。另外,在0.01 mM Mg²⁺低镁条件下mgt4-1体内的At CRT3（参与拟南芥油菜素内酯信号调控）表达水平显著高于Ler.。综上所述,AtMGT4不仅在拟南芥花粉正常发育的维持,而且在植物营养体对低镁环境的适应中,都有重要作用。这些功能是通过At MGT4调节细胞内质网中的Mg²⁺平衡来保障的。内质网中Mg²⁺含量可能影响AtCRT3的表达,从而协调BR信号通路来调控细胞分裂、生长及雄性育性。