水稻Pht1家族磷酸盐转运基因时空表达分析及OsPT4在水稻中的功能研究
发布时间：2020-08-21 17:22
【摘要】：水稻是世界近一半人口的主要粮食来源,其产量和品质一直是人们关注的重点。磷(P)是植物必需的大量元素之一,在植物生长发育过程中发挥重要作用。水稻对磷的吸收和转运主要依靠磷酸盐转运蛋白完成,包括Pht1家族13个转运蛋白。此外,砷元素(As)作为一种类金属元素,对水稻的生长发育有毒害作用。由于具有与磷酸盐类似的化学结构,砷酸盐可以通过磷酸盐转运蛋白通道被水稻吸收。本研究对Pht1家族基因的时空表达模式进行了研究,并且深入探究了其中一个成员OsPT4在水稻磷和砷吸收转运过程中的作用。水稻Pht1家族有13个成员,分布在第1、3、4、6、8和10号染色体上。生物信息学分析结果显示Pht1家族的蛋白质序列保守,亲缘关系接近。Realtime-PCR结果表明该家族大部分基因缺磷诱导表达,同时启动子融合GUS蛋白染色结果显示该家族基因在水稻根部均有表达,且各个基因表达的部位不同。在缺失高亲和磷酸盐转运蛋白PHO84的酵母突变体中异源表达水稻Pht1家族基因,能够恢复突变体的表型,说明该家族基因都具有磷酸盐转运活性。OsPT4属于Pht1家族,启动子融合GUS蛋白染色结果显示该基因在水稻根部和地上部均有表达,并且在根表皮细胞特异性地表达。缺磷处理后,OsPT4的表达增加,同时在根表皮和外皮层有表达。亚细胞定位结果显示OsPT4定位于细胞质膜。在正常磷环境(0.3 mmol/L P)和高磷环境(1.5 mmol/L P)下,超表达OsPT4会导致植株根部的磷浓度较野生型增加1.6和2.1倍,而OsPT4-RNAi植株的主根数和分蘖数较野生型显著减少。这些结果说明OsPT4是一个具有功能的磷酸盐转运基因,参与水稻的磷吸收过程。由于砷酸盐的化学结构与磷酸盐类似,许多磷酸盐转运基因参与植物的砷吸收。当日本晴加砷处理后,OsPT4的表达量在植株的地上部和地下部均缓慢增加并维持在较高状态。OsPT4超表达材料在高砷环境(25μmol/L As和50μmol/L As)下萌发一周后出现砷毒害表型,植株生长受阻,株高变矮,根长变短,根部砷浓度增加了33%。而OsPT4-CRISPR材料则表现出相反的表型,其根部砷浓度较野生型降低30%。此外,OsPT4超表达植株对砷酸盐的最大吸收速率较野生型增加23-45%。以上结果说明磷酸盐转运基因OsPT4在水稻砷吸收过程中发挥了作用。OsPT4超表达植株和野生型种植于正常施肥的大田中,发现OsPT4超表达植株成熟期的秸秆和籽粒中的总磷浓度较野生型有显著增加,而砷浓度差异不显著。OsPT4可以作为一个现阶段水稻生产实际应用的一个候选基因。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511
【图文】：
植物进化并发展了许多机制适应外部的低磷环境（图1） (Liang et al 2014)。植物根系的变化是植物在低磷环境下最早最有效的适应机制，也是植物提高磷吸收效率的最主要方式 (Raghothama and Karthikeyan 2005)。有研究模型指出，植物根系的形态变化与植物磷吸收效率密切相关。当植物受到低磷胁迫时，主根系受到抑制，侧根数目和长度增加，导致根冠比、根系表面积和不定根数目增加，最终增加植株的磷吸收效率 (Newman and Andrews 1973, Borkert and Barber 1983, Gahooniaet al 2000)。例如，在低磷环境下，单子叶植物水稻和玉米会产生大量不定根而双子叶植物拟南芥、棉花、大豆则会产生数量较多的横向侧根以帮助吸收更多的磷 (Liaoet al 2006, Fang et al 2011)。除此之外，植物常见的适应低磷胁迫的反应机制还包括增加根毛数量和密度 (Chandrika et al 2013, Song et al 2016)。根毛占根系表面积 70%，却能够负责植物 90%的磷吸收量，说明植物根毛的正常发育对植物磷吸收十分重要(Raghothama 1999)。AtRhd2 和 AtRhd6 是拟南芥控制根毛密度和伸长的基因，在磷充足情况下，这两个基因的突变体与野生型没有明显差异，但是在受到低磷胁迫时，突变体的磷吸收速率、植株磷含量和生物量都显著低于野生型 (Masucci andSchiefelbein 1994)。还有一类植物
图 2 在缺磷环境下激素介导的磷信号转运途径（Zhang et al 2014）Fig. 2 Hormone mediated P signaling pathways controlling RSA and PSI gene expression inresponse to P stress conditions（Zhang et al 2014）1.2.3 植物对磷的吸收和转运根据磷的可溶性将土壤中的无机磷分为可溶性磷和不可溶性磷，其中植物主要吸收可溶性磷。根据土壤中的 pH 值，可溶性磷有三种存在形式：H2PO4-、HPO42-和 PO43-(Schachtman et al 1998)。研究表明，磷酸盐在土壤中以 H2PO4-为主要存在形式，当土壤pH值在5.0~6.0时，植物对磷酸盐达到最大吸收速率 (Furihata et al 1992)。如前文所述，土壤中的磷浓度远远低于植物体内磷浓度，故植物对磷的吸收是一个需要消耗能量的逆浓度梯度的主动运输过程 (Poirier and Bucher 2002)。这一过程所需的能量主要来源于细胞膜上 H+-ATPases 水解后形成的质子梯度（图 3）
图 3 磷跨膜运输模型（Karandashov and Bucher 2005）Fig. 3 Putative mechanism of proton and phosphate symport through a Pht1 transporter.（Karandashov and Bucher 2005）磷吸收动力学研究表明植物具有双重磷吸收转运系统 (Schachtman et alier and Bucher 2002)，包括高亲和磷吸收转运系统 (High-affinity Pi uptake s 值大约为 3-7μmol/L) 和低亲和磷吸收转运系统 (Low-affinity Pi uptake s 值大约为 50-330μmol/L) (Chiou and Lin 2011, Lopez-Arredondo et al 2014)。磷浓度较高时，植物利用低亲和吸收转运系统吸收磷酸盐，而当土壤中磷时，植物启动高亲和转运系统吸收土壤中低浓度的磷酸盐。根据目前的报中磷酸盐转运蛋白基因被分为 4 个亚家族，分别是 Pht1、Pht2、Pht3 和 P信息学分析表明水稻含有 26 个磷酸盐转运基因，分属于 4 个亚家族（表sch et al 2004, Raghothama and Karthikeyan 2005)。利用基因组测序和同原序
本文编号：2799646
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511
【图文】：
植物进化并发展了许多机制适应外部的低磷环境（图1） (Liang et al 2014)。植物根系的变化是植物在低磷环境下最早最有效的适应机制，也是植物提高磷吸收效率的最主要方式 (Raghothama and Karthikeyan 2005)。有研究模型指出，植物根系的形态变化与植物磷吸收效率密切相关。当植物受到低磷胁迫时，主根系受到抑制，侧根数目和长度增加，导致根冠比、根系表面积和不定根数目增加，最终增加植株的磷吸收效率 (Newman and Andrews 1973, Borkert and Barber 1983, Gahooniaet al 2000)。例如，在低磷环境下，单子叶植物水稻和玉米会产生大量不定根而双子叶植物拟南芥、棉花、大豆则会产生数量较多的横向侧根以帮助吸收更多的磷 (Liaoet al 2006, Fang et al 2011)。除此之外，植物常见的适应低磷胁迫的反应机制还包括增加根毛数量和密度 (Chandrika et al 2013, Song et al 2016)。根毛占根系表面积 70%，却能够负责植物 90%的磷吸收量，说明植物根毛的正常发育对植物磷吸收十分重要(Raghothama 1999)。AtRhd2 和 AtRhd6 是拟南芥控制根毛密度和伸长的基因，在磷充足情况下，这两个基因的突变体与野生型没有明显差异，但是在受到低磷胁迫时，突变体的磷吸收速率、植株磷含量和生物量都显著低于野生型 (Masucci andSchiefelbein 1994)。还有一类植物
图 2 在缺磷环境下激素介导的磷信号转运途径（Zhang et al 2014）Fig. 2 Hormone mediated P signaling pathways controlling RSA and PSI gene expression inresponse to P stress conditions（Zhang et al 2014）1.2.3 植物对磷的吸收和转运根据磷的可溶性将土壤中的无机磷分为可溶性磷和不可溶性磷，其中植物主要吸收可溶性磷。根据土壤中的 pH 值，可溶性磷有三种存在形式：H2PO4-、HPO42-和 PO43-(Schachtman et al 1998)。研究表明，磷酸盐在土壤中以 H2PO4-为主要存在形式，当土壤pH值在5.0~6.0时，植物对磷酸盐达到最大吸收速率 (Furihata et al 1992)。如前文所述，土壤中的磷浓度远远低于植物体内磷浓度，故植物对磷的吸收是一个需要消耗能量的逆浓度梯度的主动运输过程 (Poirier and Bucher 2002)。这一过程所需的能量主要来源于细胞膜上 H+-ATPases 水解后形成的质子梯度（图 3）
图 3 磷跨膜运输模型（Karandashov and Bucher 2005）Fig. 3 Putative mechanism of proton and phosphate symport through a Pht1 transporter.（Karandashov and Bucher 2005）磷吸收动力学研究表明植物具有双重磷吸收转运系统 (Schachtman et alier and Bucher 2002)，包括高亲和磷吸收转运系统 (High-affinity Pi uptake s 值大约为 3-7μmol/L) 和低亲和磷吸收转运系统 (Low-affinity Pi uptake s 值大约为 50-330μmol/L) (Chiou and Lin 2011, Lopez-Arredondo et al 2014)。磷浓度较高时，植物利用低亲和吸收转运系统吸收磷酸盐，而当土壤中磷时，植物启动高亲和转运系统吸收土壤中低浓度的磷酸盐。根据目前的报中磷酸盐转运蛋白基因被分为 4 个亚家族，分别是 Pht1、Pht2、Pht3 和 P信息学分析表明水稻含有 26 个磷酸盐转运基因，分属于 4 个亚家族（表sch et al 2004, Raghothama and Karthikeyan 2005)。利用基因组测序和同原序
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本文编号：2799646
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