摘要
植物不定根（adventitious roots，ARs）的形成是植物营养繁殖的重要途径之一，AR的形成是一个复杂的器官发生过程，受外界环境条件和内源因素共同调控。油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）是一种多羟基化的甾醇衍生物，在调控植物的各种生理过程中发挥着关键的作用。甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳的重要温室气体，也是自然界中广泛存在的最简单的有机物，作为一种信号分子， CH4 可能参与植物的许多生长发育进程。众所周知，外源CH4和BRs都可以刺激植物ARs的形成，但CH4和BRs之间的交互作用是否会参与ARs的形成尚不清楚。AR的发生对于黄瓜（Cucumis sativus L.）等园艺植物的生长发育及提高其抗逆性具有重要作用。因此，本论文以黄瓜为研究对象，通过生理生化、转录组学和分子生物学等方法探讨 CH4与 BR 在 AR 形成过程中的作用及其相互关系，以期为调控植物ARs的形成提供理论依据。主要研究结果如下： 1. BR 参与 CH4 诱导黄瓜 AR 的发生过程。本试验表明，50% 富甲烷水（MRW）显著增加黄瓜外植体AR的根数；进一步用LC-MS技术测定了MRW处理0-72h 黄瓜外植体中激素含量的变化特征，发现24-表油菜素内酯（EBL）含量显著增加。MRW+EBL（EBL，0.0005 μmol L-1）处理的黄瓜外植体AR根数显著高于MRW和EBL单独处理。MRW+Brz（Brassinazole，Brz，5μmol L-1， EBL合成抑制剂）处理的AR根数显著低于 MRW单独处理，说明Brz削弱了MRW对AR发生的促进作用。在黄瓜下胚轴的形态学观察也证明了这一点。进一步发现，MRW 处理使 BR 合成前体物质油菜素甾酮（Castasterone，CS）和6-去氧油菜素甾酮（6-Deoxocastasterone，6-deoxoCS）含量和关键基因CYP85A1的表达量升高，说明CH4可能调控了内源BR的生物合成，进而对AR发生起到积极的促进作用。 2. BR参与CH4诱导黄瓜AR发生的差异基因分析。对Control （对照，蒸馏水）、MRW、MRW_Brz（MRW+Brz）三个不同处理12h 的黄瓜外植体样本进行转录组学检测分析。结果表明，三个处理间共筛选到 1356 个差异表达基因（DEGs），其中上调702个，下调654个。GO功能注释发现，DEGs显著富集到生物进程的条目中多与代谢、细胞和生物调控相关；KEGG富集分析表明，“苯丙素生物合成”、“植物激素信号转导”和“次级代谢产物合成”显著受到MRW的调节。进一步对以上三个通路进行分析，分别注释到37、27和90个DEGs，尤其在“苯丙烷生物合成”通路中大部分MRW处理下高表达的DEGs，MRW_Brz对MRW高表达的效果有显著的抑制效应。 3. BR通过调节植物激素含量、营养物质含量、细胞壁的松动与重塑及其抗氧化能力参与CH4诱导黄瓜AR的发生。CH4使黄瓜外植体中内源生长素（IAA）、EBL、乙烯（ETH）和水杨酸（SA）的含量上升，玉米素（ZT）、反式玉米素核苷（ZR）、赤霉素（GA3）、脱落酸（ABA）和茉莉酸（JA）的含量下降；同时CH4显著增加了EBL合成前体物质CS和6-deoxoCS的含量；而Brz削弱了CH4的促进作用。说明激素信号转导在BR参与CH4诱导黄瓜外植体AR发生过程中是不可或缺的。此外，CH4提高了黄瓜外植体中还原性糖、可溶性蛋白含量和淀粉酶活性，降低了淀粉含量，为AR根原基形成提供足够的营养；提高了苯丙氨酸、香豆素、肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸等酚类物质的含量，有利于AR形成；降低了纤维素、半纤维素、木质素、果胶等的含量，并且增强了羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、漆酶、多聚半乳糖醛酸酶及POD酶的活性，加速细胞壁代谢引起细胞壁松弛。与此同时，CH4显著增强了过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）及抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）的活性，并提高了超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）、还原型谷胱甘肽（GSH）、丙二醛（MDA）及类胡萝卜素的含量，然而，Brz显著抑制了CH4的促进作用。说明 BR 可能通过调节抗氧化能力、营养物质含量和细胞壁的松动与重塑参与CH4诱导黄瓜AR的发生。 4. BR通过CsXTH23基因调节细胞壁松弛参与CH4诱导黄瓜AR的发生。木葡聚糖的修饰酶对于调控细胞壁的强度及延展性极其重要，BR信号通路中筛选出的明星分子TCH4基因（XTH23）是木葡聚糖内转糖苷酶之一。在黄瓜外植体中瞬时沉默和过表达 CsXTH23， 与野生型相比，瞬时沉默 CsXTH23 的根数显著减少，根长和鲜重也有变短和降低，细胞壁组分含量下降、相关酶活变弱，同时瞬时过表达CsXTH23的结果反之。可见，CsXTH23在BR参与CH4诱导黄瓜AR发生中起着重要的作用。
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