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科研进展

昆明植物所在滇重楼根茎休眠打破和多芽形成机理研究中取得进展

文章来源:中国西南野生生物种质资源库  |  发布时间:2021-04-22  |  作者:王沐兰  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  滇重楼(Paris polyphyllaSmith var.yunnanensis)是黑药花科重楼属植物,其根茎入药,是“云南白药”等中成药的主要原料。滇重楼是一种多年生宿根植物,其地下根茎是多年生储藏器官,地上部分为一年生。滇重楼适应云南干湿两季的气候,雨季来临前后根茎发芽;旱季里地上部分枯萎、根茎进入休眠。滇重楼具有多芽现象,即单个根茎分化出多个地上部分。分化多芽的能力在不同品系之间存在差异。多芽的分化可以大幅度的增加地上部分的生物量,从而增加根茎在生长季有限时间内的生物量积累。

  赤霉素(Gibberellic acid)是公认的打破种子休眠的激素,但是其在根茎休眠中的作用是有争议的。赤霉素可以打破马铃薯、剑兰、大蒜和郁金香的休眠。然而,其他研究表明其作用是在细胞分裂素打破休眠后促进茎段伸长。近日,中国科学院昆明植物研究所李唯奇团队,利用前期建立的滇重楼组织培养体系,研究了植物激素对滇重楼地上部分发生的调控作用,并在解剖与转录调控方面讨论了多芽植株的发生过程。结果显示:滇重楼根茎的休眠和萌发由赤霉素/脱落酸的比例决定。外源添加赤霉素可以打破休眠,促进根茎萌发。这一机制与种子的休眠和萌发调控机制类似。赤霉素不仅能打破根茎休眠,而且能激活分生组织形成多个顶芽(图1和图2)。在离体条件下,20 mg/L GA3处理的根茎平均顶芽数达到7.2/每根茎。GA3诱导的多芽是顶芽的重复从头发生(de novo organogensis),这些芽是由本时代的分生组织分化,本应该在下一个生长季萌发的(图3)。內源激素含量分析显示,GA3的施用并不会或只能轻微地改变內源生长素、细胞分裂素和脱落酸的浓度,但根茎中GA3和GA1的含量显著增加(图4)。在转录调控水平上,单芽和多芽根茎中共享了较少的表达差异基因,并表现出不同的激素相关基因的表达模式(图5)。本研究对理解地下芽植物(geophytes)的休眠和萌发调控机制,生态适应性具有重要意义。本研究也为地下芽植物的离体培养途径提供了新思路。上述研究成果以“Gibberellin A3 induces polyaerial shoot formation and increases the propagation rate in Paris polyphylla rhizomes”为题,在线发表在农业工程领域杂志Industrial Crops and Products上,博士研究生王沐兰为该论文的第一作者,李唯奇研究员和种子生物学研究组林亮博士为共同通讯作者。 
  该项研究工作得到国家自然科学基金(31770375),云南省应用基础研究项目(2017AB001、2017FB057), 中国西南野生生物种质资源库“交叉合作团队”开放研究项目,云南地方学院联合基金(2018FH001-029),云南省重点研发计划(2019ZF011-2) 项目的资助。
   
对照(C)和10 mg/L GA3处理下滇重楼根茎的发芽率
2  顶芽的数量均随GA3浓度的增加而显著增加

3  休眠、单芽和多芽根茎的组织学结构比较。(A)显微镜图像。(B)石蜡切片图片。

红色箭头表示顶芽,黑色箭头表示腋芽,绿色箭头表示鳞片,蓝色箭头表示地上茎。


滇重楼休眠、单芽和多芽根茎中內源激素的浓度


5  休眠、单芽与多芽植株中生长素,赤霉素,细胞分裂素和脱落酸相关基因表达的聚类分析

(责任编辑:李雪)

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