水稻根系磷高效利用相關(guān)基因的發(fā)掘與驗證.pdf

1、磷是植物生長發(fā)育必需的大量元素之一，同時也是植物利用效率最低的元素。增施磷肥可以提高水稻的產(chǎn)量，但是會加快不可再生磷礦資源的耗竭，同時導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，加重環(huán)境污染，并在一定程度上增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。因此，利用植物自身潛力活化和高效吸收土壤中原有的固定態(tài)磷，對降低水稻生產(chǎn)中對磷肥的依賴，具有十分重要的意義。本實驗以耐低磷型水稻品種儀2434(YI2434)和低磷敏感型水稻品種通粳981(TJ981)為試驗材料，研究了低磷脅迫對水稻根系形

2、態(tài)學及生理生化的影響，并利用基因芯片技術(shù)、qRT-PCR技術(shù)、蛋白組學技術(shù)分析了水稻根系基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達水平對低磷脅迫的應(yīng)答，發(fā)掘出了磷信號途徑、磷活化與高效吸收、磷代謝與利用相關(guān)基因，并驗證了磷高效利用相關(guān)基因在水稻抵抗低磷脅迫中的重要作用。
　　1.低磷脅迫對水稻根系形態(tài)和生理生化特性的影響
　　低磷處理15天后，兩個供試水稻品種根系的主根長、單株表面積、單株投影面積、單株體積較對照組均有不同程度的增高，且耐低磷型水稻

3、品種儀2434的增高程度更顯著。這表明，儀2434能顯著增加水稻根系與土壤的接觸面積，提高根系對磷的吸收能力。酸性磷酸酶活性的測定結(jié)果表明，低磷脅迫下兩個水稻品種根系組織中的酸性磷酸酶(APA)和根系所分泌的APA活性均有不同程度的增高，且耐低磷型水稻品種的APA活性的增高程度更顯著，這表明APA可促進植株體內(nèi)外有機磷的活化，提高水稻的耐低磷能力。
　　2.低磷脅迫對水稻根系基因轉(zhuǎn)錄的影響
　　對低磷處理15天后儀2434根

4、系中的基因表達水平進行基因芯片檢測，結(jié)果顯示，上調(diào)基因共有1329個，下調(diào)基因共有1987個，其中本文重點探討了低磷脅迫誘導(dǎo)表達基因(p≤0.05)在水稻磷高效吸收與利用中的作用與可能機制，這些基因包括與磷饑餓信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、磷活化與高效吸收、磷代謝與利用相關(guān)的基因。結(jié)果表明:(1)低磷脅迫下的水稻根系中磷饑餓調(diào)控蛋白(PHR1)、miR399、SP等基因的誘導(dǎo)表達激活水稻體內(nèi)的磷饑餓信號途徑;(2)酸性磷酸酶(APA)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化

5、酶(PEPC)、電壓依賴陰離子通道1（VDAC1）、C-4二羧酸轉(zhuǎn)運/蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白(C4-DT/MAT)、磷轉(zhuǎn)運體(OsPT2、OsPT6)、協(xié)助轉(zhuǎn)運超家族（MFS）等基因的誘導(dǎo)表達促進水稻根系對磷的活化與高效吸收;(3)核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶(NPP)、甘油磷酸二酯酶(GDPD)、磷脂酶（PLC、PLA2）、無機焦磷酸酶(PPase)、海藻糖-6-磷酸酶（TPP）、甘露糖-6-磷酸異構(gòu)酶(MPI)、蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)、氨

6、基醇轉(zhuǎn)移酶1(AAPT1)等基因的誘導(dǎo)表達促進磷在水稻體內(nèi)的代謝與高效利用。
　　3.氐磷脅迫應(yīng)答關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄水平的qRT-PCR驗證
　　通過對低磷處理不同時間基因轉(zhuǎn)錄水平的qRT-PCR檢測表明，所選的與磷饑餓信號途徑、磷活化與高效吸收、磷代謝與利用相關(guān)的三類基因在耐低磷型水稻品種儀2434和低磷敏感型品種通粳981根系中均上調(diào)表達，與基因芯片的結(jié)果相吻合，但相應(yīng)基因在儀2434根系中的誘導(dǎo)表達水平明顯高于通粳981。在

7、兩供試水稻品種根系中10個所選基因的表達水平均隨處理時間呈逐步增長趨勢，且在儀2434根系中的增幅明顯高于通粳981。這進一步證實磷饑餓信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、磷活化與高效吸收、磷代謝與高效利用相關(guān)基因的表達水平與水稻的耐低磷能力密切相關(guān)。
　　4.低磷脅迫對水稻根系蛋白質(zhì)組表達的影響
　　對磷高效型水稻品種儀2434根系進行雙向電泳-質(zhì)譜檢測結(jié)果表明，儀2434根系中有多個蛋白在低磷脅迫下顯著上調(diào)表達，胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶(cMDH)上調(diào)表

8、達促進有機酸的合成，活化土壤中的有機磷;腺苷酸激酶(AK)、果糖-1，6-二磷酸醛縮酶(ALD)、磷酸甘油變位酶(PGAM)、烯醇酶等蛋白上調(diào)表達調(diào)節(jié)代謝途徑，提高水稻根系對磷素的利用效率;熱休克蛋白70家族(HSP70)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移(GST)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等蛋白上調(diào)表達增強儀2434根系的抗氧化能力。這些差異表達的蛋白在功能上與基因芯片結(jié)果具有一定的一致性，表明磷高效吸收與利用相關(guān)基因在水稻抵抗低磷脅迫中發(fā)揮了

9、重要作用。
　　5.主要結(jié)論
　　低磷脅迫下，與通粳981相比，儀2434葉片磷含量降低幅度較小，說明儀2434水稻根系能高效吸收低磷介質(zhì)中磷素，維持正常生理生化過程;PHR1、miR399、SPX等基因的誘導(dǎo)表達，可以調(diào)控儀2434根系磷信號途徑下游的磷活化、磷高效吸收與利用相關(guān)基因的表達;APA、PAPs、PEPC、ADVC1、OsPT2、OsPT6等基因誘導(dǎo)表達，cMDH在蛋白質(zhì)水平上調(diào)表達以及APA活性的顯著增強，可