摘要
氮和磷是植物正常生长发育所必需的矿质营养元素。甘蓝型油菜是重要的油料作物，对氮和磷的需求都很高。缺氮和缺磷植株生长均会受到抑制，油菜籽产量和品质均显著降低。植物主要通过根系来吸收矿质养分和水分。NAL1（NARROWLEAF1）是窄叶基因，研究表明水稻中该基因可以调节根系的发育，增强植物的耐旱性。拟南芥与油菜亲缘关系较近，均为云薹属植物。本论文利用生物信息学等方法在拟南芥和甘蓝型油菜基因组数据库查找NAL1同源基因；利用转基因技术构建NAL1同源基因的遗传转化材料，开展该基因家族的表达模式和亚细胞定位分析；采用琼脂培养添加生长素研究其对拟南芥转基因株系根系形态的影响，以及营养液培养试验考察不同氮磷浓度条件下的AtNAL1超表达和RNAi株系的表型、矿质养分含量和生理指标的差异，初步明确了NAL1基因的基因功能。具体研究结果如下： （1）拟南芥AtNAL1的各基因组织定位不同，但都在侧根有表达，亚细胞定位均定位在细胞核上。 AtNAL1的GUS转基因株系染色结果显示，AtNAL1;1和AtNAL1;3在苗期的根和成熟叶中有表达，在成熟期的叶片、根、花和角果中均有表达；而AtNAL1;2在苗期根尖和成熟期花和荚果中均没有表达。但三个基因都在侧根上有强烈表达，因此该基因可能与侧根发育有关。亚细胞定位结果表明AtNAL1s基因和油菜中的BnaA01NAL1、BnaC01NAL1和BnaC03NAL1基因都定位在细胞核。 （2）AtNAL1;2和AtNAL1;3可以调控植物体内IAA的转运。 琼脂培养外源分别添加0nM、1nM和10nMIAA，结果表明，在不添加IAA和添加1nMIAA时，拟南芥AtNAL1超表达株系地上部和根系生物量以及根系长度、根系数量等多种根系指标均高于野生型Col-0，拟南芥AtNAL1的RNAi株系则均低于野生型。与不添加IAA比较，1nMIAA处理野生型、超表达株系和RNAi株系的地上部和根系的生物量均有增加趋势；野生型和RNAi株系的根系形态指标有增加趋势，超表达株系则有下降趋势。与添加1nMIAA比较，添加10nMIAA时，野生型和AtNAL1;2超表达株系地上部和根系生物量以及根系长度、根系数量均降低，而AtNAL1;3超表达株系地上部和根系生物量增加；RNAi株系的地上部和根系生物量以及根系长度、根系数量均增加，且部分RNAi株系考察的部分指标高于野生型。所以，AtNAL1基因超量表达会使侧根增多，而AtNAL1基因表达降低会使侧根减少，AtNAL1基因可以影响拟南芥的根系的生长，特别是侧根的生长发育，但添加少量的生长素可以缓解这个现象，说明AtNAL1基因可以调控IAA的转运。 （3）AtNAL1基因促进了植物对矿质养分的积累。 利用ICP-OES测定转基因株系和野生型在正常条件下的矿质养分差异，结果表明，氮的浓度和积累量在各转基因株系中均高于野生型，铝和锌的浓度和积累量在各转基因株系中均显著低于野生型，钙和钼的浓度在RNAi株系显著低于野生型，磷、钾、镁、钙和钼等矿质养分积累量在超表达株系中高于野生型，在RNAi株系中则显著低于野生型。AtNAL1基因对拟南芥中不同矿质养分的吸收和积累的影响不同，促进了植物对磷、钾、镁、钙和钼等矿质养分的积累。 （4）拟南芥AtNAL1;3基因具有对低氮胁迫的忍耐能力。 相比野生型，低氮和低磷条件下，AtNAL1超表达株系的根和地上部生物量（除AtNAL1;2超表达株系的根）都显著增加，RNAi株系的根和地上部生物量则显著降低。低磷时，AtNAL1;3和AtNAL1;1RNAi株系的无机磷浓度显著低于野生型，花青素浓度均显著高于野生型。说明，相比野生型，AtNAL1;3和AtNAL1;1的RNAi株系对低磷胁迫更敏感。低氮处理，AtNAL1;3RNAi株系的叶绿素浓度显著低于野生型，花青素和丙二醛浓度显著高于野生型，AtNAL1;3超表达株系丙二醛和花青素的浓度均显著低于野生型，说明拟南芥AtNAL1;3的RNAi株系对低氮胁迫更敏感，超表达株系相比野生型更耐低氮胁迫。 综上，AtNAL1s基因可能是通过调节生长素的极性运输来调控拟南芥的根系发育，从而促进AtNAL1;3超表达株系对多种矿质养分的积累，进而提高AtNAL1;3超表达株系对低氮胁迫的耐受力。
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