發(fā)布時間：2020-10-12 04:38

　　 豆科植物的生物固氮(BNF)作用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了大量綠色環(huán)保的氮素,在可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著重要作用。固氮器官根瘤的發(fā)育及固氮過程對磷的需求較高,因此,根瘤中磷吸收的調(diào)控路徑及磷平衡的改變勢必影響生物固氮效率。甘油-3-磷酸/磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(G3PT)是一類糖—磷酸鹽/陰離子逆轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,在磷轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用,然而關(guān)于G3PT在根瘤磷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)方面的調(diào)控作用鮮有報道。本研究以大豆為實(shí)驗(yàn)材料,通過生物信息學(xué)等相關(guān)技術(shù)對甘油-3-磷酸/磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員(GmG3PTs)進(jìn)行家族分析。在此基礎(chǔ)上,篩選并克隆了在根瘤中低磷增強(qiáng)表達(dá)的基因GmG3PT3。為進(jìn)一步明確GmG3PT3在大豆生物固氮的功能,本研究利用GmG3PT3的過表達(dá)和干涉材料進(jìn)行高磷(250μM Pi)/低磷(25μM Pi)的水培試驗(yàn)和大田試驗(yàn)。主要結(jié)果如下:(1)生物信息學(xué)結(jié)果表明,大豆甘油-3-磷酸/磷反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族共包含6個成員。根據(jù)基因結(jié)構(gòu)的相似性及進(jìn)化樹分析,GmG3PTs分為3個亞組:第I亞組包括GmG3PT1和GmG3PT6,第II亞組為GmG3PT2和GmG3PT5,第III亞組包含GmG3PT3和GmG3PT4。同組內(nèi)基因結(jié)構(gòu)高度相似,編碼區(qū)序列相似度均超過90%。(2)表達(dá)模式分析表明,GmG3PTs在大豆6個部位包括根,莖,葉,花,莢和種子的表達(dá)量存在差異,第I亞組(GmG3PT1和GmG3PT6)和第II亞組(GmG3PT2和GmG3PT5)主要在低磷的莢表達(dá),第III亞組(GmG3PT3和GmG3PT4)在各個部位都有高表達(dá),且受低磷顯著誘導(dǎo)。GmG3PT3在根瘤中的表達(dá)量比其他GmG3PT家族成員高,并且在根瘤的不同發(fā)育時期都有較高表達(dá)。以上結(jié)果暗示了GmG3PT3可能在大豆結(jié)瘤過程及根瘤磷平衡中發(fā)揮功能。(3)亞細(xì)胞和組織化學(xué)定位結(jié)果表明,GmG3PT3定位在液泡膜,并且GmG3PT3主要在根瘤的維管束、皮層和侵染區(qū)中表達(dá)。(4)可溶磷測定結(jié)果表明,過表達(dá)GmG3PT3促使磷向根瘤類菌體中轉(zhuǎn)運(yùn),而干涉該基因?qū)е驴扇芰自谄又蟹e累,顯著降低了固氮區(qū)可溶磷的濃度,說明改變GmG3PT3的表達(dá)影響了根瘤中磷的分配。(5)水培和大田的試驗(yàn)表明,與野生型對比,過表達(dá)GmG3PT3顯著增加根瘤數(shù)和根瘤干重、提高了植株氮磷含量和生物量,進(jìn)而顯著增加了大豆產(chǎn)量;干涉GmG3PT3顯著減少了根瘤數(shù)和根瘤干重、降低了植株氮磷含量和生物量,進(jìn)而降低了大豆產(chǎn)量。(6)大豆接種根瘤菌3.5小時后,GmG3PT3明顯上調(diào)表達(dá)。同時,利用自身攜帶GFP的根瘤菌進(jìn)行侵染試驗(yàn)的結(jié)果表明,與野生型比,干涉GmG3PT3顯著降低了侵染線的數(shù)目。綜上所述,GmG3PT3編碼液泡膜定位的糖—磷轉(zhuǎn)運(yùn)子,主要在根瘤的維管束、皮層和固氮區(qū)表達(dá)。GmG3PT3參與了磷從根瘤皮層細(xì)胞到類菌體的轉(zhuǎn)運(yùn),影響了根瘤中磷的分配。改變GmG3PT3的表達(dá)顯著影響根瘤數(shù)和根瘤的固氮能力,氮磷含量及生物量,進(jìn)而影響了大豆產(chǎn)量。本研究結(jié)果部分解析了磷調(diào)控大豆根瘤固氮的分子生理機(jī)制,為大豆養(yǎng)分高效遺傳改良提供了候選基因資源。
【學(xué)位單位】：福建農(nóng)林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S565.1
【部分圖文】：

GmG3PT3 在大豆生物固氮中的功能研究進(jìn)化關(guān)系，水稻中 VPE 蛋白有 3 個分支，其中的 VPE1/2，定位在液泡，負(fù)Pi 從液泡轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)，突變體中液泡的磷濃顯著高于比野生型；另一個分支OsGlpT1，定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上；還有一個分支為 OsGlpT2，定位在細(xì)胞膜上（Xal., 2019）。

GmG3PT3 在大豆生物固氮中的功能研究要負(fù)責(zé)根部吸收的 Pi 轉(zhuǎn)移至根瘤（Qin et al., 2012），而 GmPT7 負(fù)責(zé)直接吸界環(huán)境中的 Pi，并將 Pi 從根瘤皮層轉(zhuǎn)移至侵染區(qū)（Chen et al., 2019）。作為的一部分，根瘤中磷的調(diào)控方式與植物有相似之處。在對根瘤低磷條件下NA-seq 分析表明，PT 家族有 8 個成員受低磷誘導(dǎo)，其中 GmPT5 和 GmPT6錄水平上調(diào)了 16 倍；SPX 家族有 8 個成員受低磷誘導(dǎo)，其中 SPX9 的轉(zhuǎn)錄上調(diào) 168 倍；PAP 家族有 16 個成員受低磷誘導(dǎo)，其中 GmPAP11 的轉(zhuǎn)錄水平了 41 倍（Xue et al., 2018）。植物適應(yīng)低磷脅迫的過程包括除了增加對外界吸收，還需同時改變體內(nèi)磷的分配，比如將老葉中的磷轉(zhuǎn)運(yùn)至幼嫩的部位。作為強(qiáng)大的磷庫，必然存在貯存磷的部位，以及根瘤內(nèi)部磷的分配以適應(yīng)低迫的機(jī)制，但關(guān)于這方面的研究報道相對較少。

20圖 3-3 大豆 GmG3PTs 家族成員氨基酸多序列對比分析注：紅色邊框里的氨基酸殘基被認(rèn)為是發(fā)揮轉(zhuǎn)運(yùn)功能所必需的。Fig 3-3 Alignment of amino acid sequences of GmG3PTs in soybeanNote:Amino acids residues in red rectangle are considered essential for transport function.
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 賴葉林;GmG3PT3在大豆生物固氮中的功能研究[D];福建農(nóng)林大學(xué);2019年

本文編號：2837655