磷酸盐转运蛋白OsPT5/OsPT7与质子焦磷酸酶AVP1D影响植物磷素吸收转运和生长发育的机制研究

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作者：

张晓

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摘要：

磷(Phosphorus,P)是植物生长和发育过程最主要的元素之一,是核酸,脂肪等重要化合物的组分,几乎参与所有重要的能量代谢和各种信号的传递.由于土壤的吸附和固定作用,自然土壤中有效磷含量普遍较低.在低磷胁迫下,植物可以通过调节生长素的合成与分配,从而改变根系形态构型;诱导高亲和磷酸盐转运蛋白Pht1家族基因表达,增加对磷素营养的吸收和转运;调节质子焦磷酸酶AVPl基因的大量表达,提高根际土壤酸化程度,从而提高植物对磷素营养的吸收效率.这一系列对低磷胁迫的适应性反应机制相互协调,共同作用,大大增强了植物对低磷环境的耐受能力.迄今为止,水稻Pht1家族的部分基因功能已有大量报道,但是OSPht1:5(OsPT5)和OSPht1;7(OsPT7)基因在磷素吸收和转运中的功能尚未明确,特别是其对生长素极性运输影响的研究还十分有限.另外有研究表明,在拟南芥中过量表达质子焦磷酸酶AVP1基因可提高质膜上H+-ATPase勺积累和活性,然而AVP1基因在磷素由营养器官向生殖器官转运中的作用及其对生长素极性运输过程的影响还没有深入的研究.此外,生长素在缺磷条件下的转运分配的分子调控途径还没有进行系统的研究.本试验采用水稻磷转运蛋白Pht1家族基因成员OsPht1;5(以下简称OsPT5)和OsPht1;7(以下简称OSPT7)超表达材料,番茄质子焦磷酸酶AVP1D基因超表达材料,拟南芥植物生长素转运蛋白AUX,PIN以及ABCB三个家族主要成员与GFP融合和突变体材料,通过RT-PCR,qRT-PCR,酵母异源表达体系,转基因技术,激光共聚焦显微镜以及同位素示踪等技术手段,分别研究了OSPT5和OSPT7两个基因的表达模式和对磷素吸收和转运的功能;AVP1D基因在低磷条件下对番茄生长发育以及果实成熟的影响;低磷条件下,拟南芥生长素转运蛋白基因在转录和翻译水平的改变对根尖生长素的分布和根系形态的影响.取得了以下主要结果:1.生物信息学分析表明整个水稻磷酸盐转运蛋白家族基因同源性很高,OsPT5和OsPT7分别位于水稻基因组第4号染色体和第3号染色体,都不含内含子,且只有一个拷贝.通过对OSPT5和OsPT7基因表达模式分析和异源系统功能验证,发现OSPT5在水稻根尖和新叶中微弱表达,在根部和地上部受缺磷诱导表达上调;OsPT7在水稻根尖,侧根原基和叶片等部位表达较强,缺磷胁迫可增强其在根部和地上部的表达.osPT5和OsPT7编码的蛋白对磷素吸收功能缺失的酵母突变体(pho84)具有回补功能.33P吸收试验表明,OsPT5和OsP7在酵母中吸收磷酸盐的亲和力值(Km)分别为65.7gM和74μM,两者可能都是高亲和的磷酸盐转运蛋白.2.通过对OSPT5和OsPT7基因过量表达的转基因水稻材料在不同供磷水平条件下的水培试验,盆栽试验和大田试验结果分析,发现在正常供磷条件下,与野生型相比,转基因植株各个部位的可提取(无机)磷和总磷含量均提高10-20%左右,根冠比提高10%左右,但是总生物量变化不大.而在低磷条件下,两个基因的超表达株系和野生型相比,生物量提高,根冠比显著增大.同时植株内各个部位的无机磷和总磷含量均比野生型水稻有明显提高.其中,OsPT5超表达材料在地上部分有效磷含量和总磷含量增加了25%左右,而根部与野生型相比无显著差异,说明OsPT5主要参与了低磷胁迫条件下水稻对磷酸盐的吸收;而OsPT7超表达材料在地上部分和根部的有效磷含量和总磷含量均提高30-40%,说明OsPT7同时参与了低磷胁迫条件下水稻对磷酸盐的吸收和转运.在土培和田间种植条件下,与野生型相比,OsPT5和OsPT7超表达材料在低磷土壤中可以积累更多的磷素获得较高的生物量和籽粒产量.OsPT5超表达株系的结实率,瘪壳及其叶片中的全磷含量比对应的野生型提高了约20-30%;OsPT7基因超表达增加了磷酸盐从根部的吸收,根部有效磷和总磷含量提高约20-30%,并且促进磷酸盐从根部转运到地上部的营养器官,但对结实率没有显著影响.3.在缺磷条件下AVP1D基因的超表达增强了番茄根系酸化能力,改善了根际养分有效性,从而显著提高了植株对有效磷的吸收和利用,促进了植物根系和地上部分的生长.与野生型相比,超表达AVP1D的番茄根系生物量增加了20-30%左右.同时3H标记试验表明,AVP1D超表达番茄植株中生长素从地上部向根部的极性运输能力显著提高.在生育后期,生长于低磷环境的AyP1D超表达番茄果实中的可提取磷含量比野生型增加了10-20%左右,果实成熟度提高了约25%,表明AVP1D可促进低磷胁迫下磷素由营养器官向生殖器官的转运,改善番茄果实的发育和成熟.4.与正常供磷相比,在低磷条件下,参与生长素在地上部和根尖之间运输的转运蛋白基因ABCB19和生长素转运蛋白基因PIN显著增高.根尖维管束细胞内部PIN1蛋白富集,即PIN1蛋白质的内吞可能是对生长素浓度降低的反馈作用.PIN2基因在缺磷早期呈现其表达量增加的趋势,但随着缺磷时间变长这种差异消失.PN3基因对低磷响应不明显.AUX1基因在低磷胁迫条件下蛋白量出现显著增高,但其蛋白定位不变.这些结果表明,AUX1和ABCB19,PIN1以及PIN2在低磷胁迫条件下协同促进了生长素在根尖部的运输和回流,从而调节根尖生长素的分布,抑制主根生长和促进侧根生长和发育.综上所述,高亲和磷酸盐转运蛋白Phtl家族基因OsPT5和OsPT7参与了低磷胁迫下水稻整个生育期磷酸盐的吸收和转运,提高了植物的耐低磷胁迫能力.AVP1D基因提高了低磷胁迫下根系酸化和生长素极性运输能力,通过改变根系土壤化学性质和增加根系生物量等途径提高了番茄对磷素的利用率,从而促进了有效磷从营养器官向生殖器官的转运和番茄果实的成熟度.低磷胁迫条件下,拟南芥通过生长素转运蛋白基因调节根系中生长素含量和分布,从而调控根系的生长和发育,增加植物对低磷胁迫的耐受能力.本研究对这一系列植物响应低磷胁迫的适应性反应机制的研究,为培育耐低磷的作物新品种提供了基础理论依据.

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关键词：

磷酸盐转运蛋白 OsPT5 OsPT7 AVP1D 生长素 PIN1/ABCB19/AUX

被引量：

4

年份：

2014