力学环境调控植物生长发育、形态结构建成的研究是国内外学者高度关注的课题,但是根系生长发育和力学环境关系的研究着重植物内在生理反应,对定量力学环境调控根生长的关注不够充分。本课题通过调节培养基凝胶浓度建立可控力学环境的实验模型,并运用此模型研究力学环境与根生长、细胞微管骨架排列、生长素调控等因素间的内在联系,以期从根器官、组织、细胞层面探寻力学刺激影响植物根系生长发育的规律。本研究对理解植物发育过程有重要理论意义,对指导实际农业生产有潜在应用价值。本文的主要内容和结果:(1)基于培养基凝胶浓度的改变,构建可控力学环境根系生长的实验模型。利用单轴压缩实验测量琼脂和Phytagel培养基的机械强度、杨氏模量,同时利用旋转流变仪动态振荡测量上述培养基的剪切模量。0.5-2.0%两种培养基的机械强度随着凝胶浓度增加而线性增加,说明该浓度范围的培养基能够为其中轴向生长的根提供梯度阻力的加载。通过对0.5-2.0%两种培养基浓度和杨氏模量的数学建模,发现各浓度之间杨氏模量(刚性)差别显著,能够用于根变形的分析。0.5-1.2%琼脂培养基的剪切弹性模量随浓度增加线性增加,能用于三维形态的根生长与阻力关系的定量分析。(2)根器官穿透生长规律依赖培养基力学性能。设计1.0-2.0%的琼脂和Phytagel培养基以产生使拟南芥根(4-7天龄)轴向伸长穿透的力学环境,用根膨胀性生长理论预测和分析根的生长趋势。将根长度、曲率比分别与介质浓度、机械强度和刚性进行相关性分析及曲线拟合,发现不同力学环境下根器官生长的规律:(1)4-6天龄拟南芥根的穿透生长未被观察到明显趋势。(2)随着琼脂浓度的增加,7天龄拟南芥根长度呈现先增后降的趋势,1.3%琼脂中根长度最大;而随着Phytagel浓度的增加,根长度降低。(3)随着机械强度增加到2倍以上,根长度呈下降趋势,且降低约45%。(4)随着琼脂和Phytagel刚性分别增加到约5倍、3倍,根曲率比分别逐渐降低约26%、11%。此外,1月龄拟南芥浸出液的电导率值均小于45%,说明实验模型力学的加载处于植物正常应答机械刺激的范围内。本部分不仅验证了定量力学环境对根生长调控的有效性,还着重发现了根弯曲变形与刚性的关系。(3)根尖分生、伸长组织微管骨架参与根对力学刺激响应的生长发育过程。设计0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、1.8%琼脂和0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6%Phytagel培养基,其机械强度以0.0046 MPa的间隔递增,为根尖发育过程提供梯度阻力的加载。随介质阻力的增大,3天龄GFP-MBD根尖细胞骨架荧光强度先增加后降低,最大值在1.2、1.4%琼脂及1.0%Phytagel培养基中。整体上琼脂中的根尖荧光强度、细胞分裂活跃程度都高于生长在Phytagel中的,与根伸长生长的结果相对应。表皮细胞周质微管的排布方式变化显著,与7天龄GFP-MBD根直径和根尖长度结果一致。3天龄根尖形态结构、分生组织不对称分裂和伸长区表皮细胞微管排布相互协调响应力学刺激,进而引起7天龄根表观形态差异。(4)生长素参与根对力学刺激响应的生长发育过程。选择机械强度为0.0124-0.028 MPa的Phytagel培养基培育野生型Ws、DR5-GUS和突变体pin1拟南芥,关注根响应梯度阻力过程中生长素分布和PIN1基因可能的调控作用。采用GUS染色方法获得DR5-GUS根尖生长素表达和分布的规律:随着介质阻力的增大,生长素分布范围逐渐缩小至根冠区域。该实验模型中7天龄野生型Ws主根平均长度>突变体pin1,随着介质阻力增加至2倍以上,两种基因型的根长度分别下降53.5%和45.5%,证实PIN1基因在细胞伸长上的作用,但PIN1功能缺失未引起机械刺激应答敏感性的缺失。在主根克服穿透阻力过程中,力学刺激强度显著导致分生组织生长素的表达和分布降低。(5)拟南芥根回旋运动与介质阻力的关系。通过拟南芥根在琼脂表面波形和琼脂内部螺旋形生长的现象联合分析根回旋运动。(1)通过设置倾斜度渐变的琼脂表面对波形根生长的力学环境进行控制,观察主根长度、波形幅度,主根伸长区结构,发现根波形生长呈现力学环境依赖性,伸长区长度与生长速率显著相关。(2)设计0.5-1.2%琼脂培养基观测拟南芥根定量的螺旋生长行为,发现根在阻力较小的0.5-1.0%琼脂中生长出现螺旋形,其所占比率从100%下降到21.6%;而根在>1.0%琼脂中几乎都呈直线形,整体上螺旋根比率随介质阻力增加而降低。同时,随着介质阻力增加,根长度和根尖生长素分布也出现显著差异。利用生长引起“杆的机械弯曲”理论进行物理分析,证明琼脂阻力增加导致螺旋幅度和螺旋根比率下降。拟南芥主根在琼脂内“自由”生长则展示三维的螺旋运动,在硬琼脂表面则是三维螺旋的变形—二维波形,在硬琼脂内部则螺旋运动受阻,呈现相对直线型。拟南芥的根器官形态在持续的力学刺激下发生显著变化需至少培养7天,介质阻力增加显著抑制根的伸长。此外,介质硬度增加引起根弯曲程度增加的重要发现,补充了根系膨胀生长理论。受力学环境影响,根组织、细胞层面发生的微管骨架和生长素的变化与根器官形态差异是一致的。波形和螺旋形根相结合分析根回旋运动,进一步丰富了力学环境对根生长行为及内在结构的调控规律。