蓝莓缺铁响应机制研究

发布时间：2020-05-20 00:22

【摘要】：蓝莓(Vaccinium spp.),在其它植物能够正常生长的条件下仍易出现缺Fe性失绿,即其Fe营养代谢具有明显的低效性,但相关机理仍不明确。目前,对蓝莓Fe营养生理的有限报道表明,蓝莓根系对Fe的吸收与拟南芥一样,包括Fe的活化、还原及吸收等环节,但不明确上述Fe吸收过程中的限速环节;另外,调控蓝莓缺Fe性响应的转录因子、以及转录因子作用的关键靶基因亦尚未明确。本研究拟通过水培方法进行缺铁与非酸性条件试验,再通过多项生理指标测定,并结合铁代谢相关基因的相对表达量的变化分析,来探讨缺铁与非酸性条件对蓝莓铁营养代谢的影响。并在分离蓝莓Fe代谢相关的关键基因FER(Iron deficiency-induced transcription factor,FER)、FRO2(Ferric reduction oxidase 2,FRO2)以及IRT1(Iron-regulated transporter 1,IRT1)的 cDNA 全长的基础上,构建表达载体,再将其遗传转化至拟南芥同源基因突变体中,用于分析转基因株系的Fe营养生理及缺Fe响应机理,来探讨蓝莓Fe低效营养的内在机理。这将对解决生产中蓝莓缺Fe的问题、栽培管理及生物技术育种发挥积极的推动作用。具体研究结果如下:缺Fe条件下,首先影响到蓝莓新生叶片Fe营养供应,导致蓝莓叶绿素合成受阻,叶片呈现黄化现象,叶绿素含量降至对照组的55%左右。当根系缺Fe时,蓝莓根系活力减弱至对照组的66.7%,根系Fe含量仅为正常供Fe组的33.95%。蓝莓叶和根部FRO活性分别为对照组的1.26、1.38倍,说明蓝莓仍能应激性地提高VcFRO2基因表达量及蛋白活性。非酸性条件处理下,蓝莓根部出现褐化现象,且根系活力极显著下降至对照组的1/3,而新长嫩叶出现除叶脉外的黄化现象。qRT-PCR结果表明,缺铁情况下VcFER在3个时期均出现显著性上调的现象,但缺Fe处理10 d时,VcFRO2及VcIRT1表达量均未显著提高,表明下游基因 VcFRO2、VcIRT1 相对表达量变化滞后于VcFER 而fer2(Ferritin2,Fer2)均出现显著性下调,以此降低体内储藏铁含量;同时,缺Fe处理20 d后,与胞内Fe 转运相关基因Nramp(Natural Resistance-Associated Macrophage Protein 3,Nramp3)的相对表达量显著上调至4倍以上,该基因上调将有利于液泡中的铁往细胞质中运输。而VcHA(H+-ATPase,HA)表达无差异,表明缺铁并不导致蓝莓分泌过多的H+到土壤中。从蓝莓中分离扩增到939 bp VcFER、1071 bp VcIRT1、2106bp VcFRO2的cDNA全长序列,并构建了三个基因的超表达载体,用于遗传转化拟南芥同源突变体。生物信息学分析发现,VcFER是属于HLH超家族的转录因子,VcFRO2属于铁氧环蛋白还原酶超家族,IRT1是属于Zip超家族的金属蛋白转运体。系统进化树分析三个基因与大多数物种的亲缘关系不高。分析表明,蓝莓的VcFER、VcIRT1蛋白序列与其它物种存在较大差异性,亲缘性不高,有可能是导致其Fe低效营养的重要原因。转基因研究表明,Atfit/VcFER阳性转基因拟南芥植株较Atft突变体植株黄化性状有较显著改善,但未完全回复突变。Atirt/VcIRT1转基因植株显著改善了突变体的黄化症状,主要表现为植株相对健壮,但到花期其叶片与WT相比仍有出现轻微黄化现象。Atfro/VcFRO2抗性植株出现严重黄化,最终叶片泛白死亡,无法正常长大,由此可见,VcFRO2对三价铁离子的还原力偏低。综上可见,蓝莓转录因子VcFER的低效性,缺乏对根际酸化机制,以及VcFRO2活性偏低,这可能是蓝莓Fe营养低效的关键原因。
【图文】：

过程图,植物根系,机理,过程

提高转录水平、翻译水平增加根部细胞质膜上高铁还原酶（Ｆｅｒｒｉｃ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ逡逑ｏｘｉｄａｓｅ，逦表达量，以增强Ｆｅ３＋还原成Ｆｅ２＋的能力；（３）提尚根对Ｆｅ吸收逡逑过程中以ＩＲＴ１为主的转运子的表达量（见图１．１）。逡逑Ｐｈｅｎｏｈｃｓ逦ｃｈｅｌａｔｅ＾＃蓿蓿澹]3?Ｉ逦—■？？？？逦—．———＂…ｉ逡逑＿逦Ｃｅｌｌ邋ｗａｌｌ邋Ｉ逡逑Ｉ邋ｍ邋Ａ邋Ａ邋Ｉ逡逑ｍｍｍｍ邋Ｐ￡Ｚ？邋Ｍ邋ＨＡ逦，：匕＇＇＾＾２／，逦逦逦逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑Ｐｈｅ＾５邋＿邋Ｈ＊逦逦邋Ｆｅ＞逦ｃｙｔｏｓｏｌ邋｜逡逑图１．１机理Ｉ植物根系吸收Ｆｅ过程逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｉｒｏｎ邋ｕｐｔａｋｅ邋ｉｎ邋Ｓｔｒａｔｅｇｙ邋Ｉ邋ｐｌａｎｔ逡逑注：椭圆代表机理ｉ中重要的转运子或酶，它们均会受到缺铁诱导引起相应的表达变化。逡逑ＰＥＺ是酚类物质输出转运子；ＨＡ是Ｈ＋－ＡＴＰａｓｅ；邋ＦＲＯ为高铁还原酶氧化酶；ＩＲＴ为铁调控逡逑的转运子，本图引用于Ｋｏｂａｙａｓｈｉ和Ｎｉｓｈｉｚａｗａ邋（２０１２）［２９］。逡逑通过番茄和拟南芥的研究表明，信号分子也可影响植物缺铁反应，植物缺铁逡逑会导致根部ＮＯ积累，当清除植物根部ＮＯ则不能诱导尸现／Ｆ／ｒ及其下游汉７７ＦＪ？０逡逑基因的表达［３Ｑ］。其中生长素、乙烯、细胞分裂素和茉莉酮酸酯也可能参与植物根逡逑部Ｆｅ吸收机制的调控（见图１．２）。逡逑Ｆｅ邋ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ逡逑Ｉ逡逑Ｐｈｌｏｅｍ邋Ｆｅ逡逑Ａｕｘｉｎ逡逑Ｅｔｈｙｌｅｎｅ邋ＮＯ逦—＊—逡逑＼Ｆｅ邋ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ邋ｇｅｎｅｓ逡逑「逡逑ＦＩＴ邋｜逦

机理,植物,吸收机制,还原酶

Ｐｈｅｎｏｈｃｓ逦ｃｈｅｌａｔｅ＾＾＾ｅ逡逑Ｉ逦—■？？？？逦—．———＂…ｉ逡逑＿逦Ｃｅｌｌ邋ｗａｌｌ邋Ｉ逡逑Ｉ邋ｍ邋Ａ邋Ａ邋Ｉ逡逑ｍｍｍｍ邋Ｐ￡Ｚ？邋Ｍ邋ＨＡ逦，：匕＇＇＾＾２／，逦逦逦逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑Ｐｈｅ＾５邋＿邋Ｈ＊逦逦邋Ｆｅ＞逦ｃｙｔｏｓｏｌ邋｜逡逑图１．１机理Ｉ植物根系吸收Ｆｅ过程逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｉｒｏｎ邋ｕｐｔａｋｅ邋ｉｎ邋Ｓｔｒａｔｅｇｙ邋Ｉ邋ｐｌａｎｔ逡逑：椭圆代表机理ｉ中重要的转运子或酶，它们均会受到缺铁诱导引起相应的表达变酚类物质输出转运子；ＨＡ是Ｈ＋－ＡＴＰａｓｅ；邋ＦＲＯ为高铁还原酶氧化酶；ＩＲＴ为铁子，本图引用于Ｋｏｂａｙａｓｈｉ和Ｎｉｓｈｉｚａｗａ邋（２０１２）［２９］。逡逑通过番茄和拟南芥的研究表明，信号分子也可影响植物缺铁反应，植物致根部ＮＯ积累，当清除植物根部ＮＯ则不能诱导尸现／Ｆ／ｒ及其下游汉７７ＦＪ的表达［３Ｑ］。其中生长素、乙烯、细胞分裂素和茉莉酮酸酯也可能参与植吸收机制的调控（见图１．２）。逡逑Ｆｅ邋ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ逡逑
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S663.9

【参考文献】