【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(diǎn)。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(yùn)主要依靠磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成,包括Pht1家族13個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)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(xué)結(jié)構(gòu),砷酸鹽可以通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道被水稻吸收。本研究對Pht1家族基因的時(shí)空表達(dá)模式進(jìn)行了研究,并且深入探究了其中一個(gè)成員OsPT4在水稻磷和砷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的作用。水稻Pht1家族有13個(gè)成員,分布在第1、3、4、6、8和10號染色體上。生物信息學(xué)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(dǎo)表達(dá),同時(shí)啟動(dòng)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(dá),且各個(gè)基因表達(dá)的部位不同。在缺失高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHO84的酵母突變體中異源表達(dá)水稻Pht1家族基因,能夠恢復(fù)突變體的表型,說明該家族基因都具有磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)活性。OsPT4屬于Pht1家族,啟動(dòng)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(dá),并且在根表皮細(xì)胞特異性地表達(dá)。缺磷處理后,OsPT4的表達(dá)增加,同時(shí)在根表皮和外皮層有表達(dá)。亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示OsPT4定位于細(xì)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(dá)OsPT4會(huì)導(dǎo)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(gè)具有功能的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因,參與水稻的磷吸收過程。由于砷酸鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)與磷酸鹽類似,許多磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因參與植物的砷吸收。當(dāng)日本晴加砷處理后,OsPT4的表達(dá)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(dá)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(dá)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(yùn)基因OsPT4在水稻砷吸收過程中發(fā)揮了作用。OsPT4超表達(dá)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(dá)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(gè)現(xiàn)階段水稻生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)候選基因。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S511
【圖文】：

植物進(jìn)化并發(fā)展了許多機(jī)制適應(yīng)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(yīng)機(jī)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(dāng)植物受到低磷脅迫時(shí)，主根系受到抑制，側(cè)根數(shù)目和長度增加，導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生大量不定根而雙子葉植物擬南芥、棉花、大豆則會(huì)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(yīng)低磷脅迫的反應(yīng)機(jī)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(fù)責(zé)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(gè)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(shí)，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(dǎo)的磷信號轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)根據(jù)磷的可溶性將土壤中的無機(jī)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(dāng)土壤pH值在5.0~6.0時(shí)，植物對磷酸鹽達(dá)到最大吸收速率 (Furihata et al 1992)。如前文所述，土壤中的磷濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于植物體內(nèi)磷濃度，故植物對磷的吸收是一個(gè)需要消耗能量的逆濃度梯度的主動(dòng)運(yùn)輸過程 (Poirier and Bucher 2002)。這一過程所需的能量主要來源于細(xì)胞膜上 H+-ATPases 水解后形成的質(zhì)子梯度（圖 3）

圖 3 磷跨膜運(yùn)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(dòng)力學(xué)研究表明植物具有雙重磷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) (Schachtman et alier and Bucher 2002)，包括高親和磷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)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(shí)，植物利用低親和吸收轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸收磷酸鹽，而當(dāng)土壤中磷時(shí)，植物啟動(dòng)高親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸收土壤中低濃度的磷酸鹽。根據(jù)目前的報(bào)中磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因被分為 4 個(gè)亞家族，分別是 Pht1、Pht2、Pht3 和 P信息學(xué)分析表明水稻含有 26 個(gè)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因，分屬于 4 個(gè)亞家族（表sch et al 2004, Raghothama and Karthikeyan 2005)。利用基因組測序和同原序

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本文編號：2799646