發(fā)布時間：2020-08-21 17:22

【摘要】：水稻是世界近一半人口的主要糧食來源,其產(chǎn)量和品質(zhì)一直是人們關(guān)注的重點。磷(P)是植物必需的大量元素之一,在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。水稻對磷的吸收和轉(zhuǎn)運主要依靠磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白完成,包括Pht1家族13個轉(zhuǎn)運蛋白。此外,砷元素(As)作為一種類金屬元素,對水稻的生長發(fā)育有毒害作用。由于具有與磷酸鹽類似的化學結(jié)構(gòu),砷酸鹽可以通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白通道被水稻吸收。本研究對Pht1家族基因的時空表達模式進行了研究,并且深入探究了其中一個成員OsPT4在水稻磷和砷吸收轉(zhuǎn)運過程中的作用。水稻Pht1家族有13個成員,分布在第1、3、4、6、8和10號染色體上。生物信息學分析結(jié)果顯示Pht1家族的蛋白質(zhì)序列保守,親緣關(guān)系接近。Realtime-PCR結(jié)果表明該家族大部分基因缺磷誘導表達,同時啟動子融合GUS蛋白染色結(jié)果顯示該家族基因在水稻根部均有表達,且各個基因表達的部位不同。在缺失高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白PHO84的酵母突變體中異源表達水稻Pht1家族基因,能夠恢復突變體的表型,說明該家族基因都具有磷酸鹽轉(zhuǎn)運活性。OsPT4屬于Pht1家族,啟動子融合GUS蛋白染色結(jié)果顯示該基因在水稻根部和地上部均有表達,并且在根表皮細胞特異性地表達。缺磷處理后,OsPT4的表達增加,同時在根表皮和外皮層有表達。亞細胞定位結(jié)果顯示OsPT4定位于細胞質(zhì)膜。在正常磷環(huán)境(0.3 mmol/L P)和高磷環(huán)境(1.5 mmol/L P)下,超表達OsPT4會導致植株根部的磷濃度較野生型增加1.6和2.1倍,而OsPT4-RNAi植株的主根數(shù)和分蘗數(shù)較野生型顯著減少。這些結(jié)果說明OsPT4是一個具有功能的磷酸鹽轉(zhuǎn)運基因,參與水稻的磷吸收過程。由于砷酸鹽的化學結(jié)構(gòu)與磷酸鹽類似,許多磷酸鹽轉(zhuǎn)運基因參與植物的砷吸收。當日本晴加砷處理后,OsPT4的表達量在植株的地上部和地下部均緩慢增加并維持在較高狀態(tài)。OsPT4超表達材料在高砷環(huán)境(25μmol/L As和50μmol/L As)下萌發(fā)一周后出現(xiàn)砷毒害表型,植株生長受阻,株高變矮,根長變短,根部砷濃度增加了33%。而OsPT4-CRISPR材料則表現(xiàn)出相反的表型,其根部砷濃度較野生型降低30%。此外,OsPT4超表達植株對砷酸鹽的最大吸收速率較野生型增加23-45%。以上結(jié)果說明磷酸鹽轉(zhuǎn)運基因OsPT4在水稻砷吸收過程中發(fā)揮了作用。OsPT4超表達植株和野生型種植于正常施肥的大田中,發(fā)現(xiàn)OsPT4超表達植株成熟期的秸稈和籽粒中的總磷濃度較野生型有顯著增加,而砷濃度差異不顯著。OsPT4可以作為一個現(xiàn)階段水稻生產(chǎn)實際應用的一個候選基因。
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S511
【圖文】：

植物進化并發(fā)展了許多機制適應外部的低磷環(huán)境（圖1） (Liang et al 2014)。植物根系的變化是植物在低磷環(huán)境下最早最有效的適應機制，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，植物根系的形態(tài)變化與植物磷吸收效率密切相關(guān)。當植物受到低磷脅迫時，主根系受到抑制，側(cè)根數(shù)目和長度增加，導致根冠比、根系表面積和不定根數(shù)目增加，最終增加植株的磷吸收效率 (Newman and Andrews 1973, Borkert and Barber 1983, Gahooniaet al 2000)。例如，在低磷環(huán)境下，單子葉植物水稻和玉米會產(chǎn)生大量不定根而雙子葉植物擬南芥、棉花、大豆則會產(chǎn)生數(shù)量較多的橫向側(cè)根以幫助吸收更多的磷 (Liaoet al 2006, Fang et al 2011)。除此之外，植物常見的適應低磷脅迫的反應機制還包括增加根毛數(shù)量和密度 (Chandrika et al 2013, Song et al 2016)。根毛占根系表面積 70%，卻能夠負責植物 90%的磷吸收量，說明植物根毛的正常發(fā)育對植物磷吸收十分重要(Raghothama 1999)。AtRhd2 和 AtRhd6 是擬南芥控制根毛密度和伸長的基因，在磷充足情況下，這兩個基因的突變體與野生型沒有明顯差異，但是在受到低磷脅迫時，突變體的磷吸收速率、植株磷含量和生物量都顯著低于野生型 (Masucci andSchiefelbein 1994)。還有一類植物

圖 2 在缺磷環(huán)境下激素介導的磷信號轉(zhuǎn)運途徑（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 植物對磷的吸收和轉(zhuǎn)運根據(jù)磷的可溶性將土壤中的無機磷分為可溶性磷和不可溶性磷，其中植物主要吸收可溶性磷。根據(jù)土壤中的 pH 值，可溶性磷有三種存在形式：H2PO4-、HPO42-和 PO43-(Schachtman et al 1998)。研究表明，磷酸鹽在土壤中以 H2PO4-為主要存在形式，當土壤pH值在5.0~6.0時，植物對磷酸鹽達到最大吸收速率 (Furihata et al 1992)。如前文所述，土壤中的磷濃度遠遠低于植物體內(nèi)磷濃度，故植物對磷的吸收是一個需要消耗能量的逆濃度梯度的主動運輸過程 (Poirier and Bucher 2002)。這一過程所需的能量主要來源于細胞膜上 H+-ATPases 水解后形成的質(zhì)子梯度（圖 3）

圖 3 磷跨膜運輸模型（Karandashov and Bucher 2005）Fig. 3 Putative mechanism of proton and phosphate symport through a Pht1 transporter.（Karandashov and Bucher 2005）磷吸收動力學研究表明植物具有雙重磷吸收轉(zhuǎn)運系統(tǒng) (Schachtman et alier and Bucher 2002)，包括高親和磷吸收轉(zhuǎn)運系統(tǒng) (High-affinity Pi uptake s 值大約為 3-7μmol/L) 和低親和磷吸收轉(zhuǎn)運系統(tǒng) (Low-affinity Pi uptake s 值大約為 50-330μmol/L) (Chiou and Lin 2011, Lopez-Arredondo et al 2014)。磷濃度較高時，植物利用低親和吸收轉(zhuǎn)運系統(tǒng)吸收磷酸鹽，而當土壤中磷時，植物啟動高親和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)吸收土壤中低濃度的磷酸鹽。根據(jù)目前的報中磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白基因被分為 4 個亞家族，分別是 Pht1、Pht2、Pht3 和 P信息學分析表明水稻含有 26 個磷酸鹽轉(zhuǎn)運基因，分屬于 4 個亞家族（表sch et al 2004, Raghothama and Karthikeyan 2005)。利用基因組測序和同原序

【相似文獻】

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 葉鶯;水稻Pht1家族磷酸鹽轉(zhuǎn)運基因時空表達分析及OsPT4在水稻中的功能研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學;2018年

相關(guān)碩士學位論文 前1條

1 吳娜;水稻磷轉(zhuǎn)運蛋白OsPT4的生理功能鑒定[D];南京農(nóng)業(yè)大學;2011年

本文編號：2799646