SUMO化E3連接酶OsSIZ1基因缺失對水稻根系構(gòu)型的影響.pdf

1、磷(Phosphorus，P)是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，幾乎參與作物生命中所有的重要代謝活動。植物從土壤中吸收的主要是無機態(tài)正磷酸鹽(Phosphate，Pi)，但由于P在土壤中容易被固定和沉淀，故相對于其他營養(yǎng)元素，P在土壤中的移動性和有效性均很低，其也因此常常成為農(nóng)田及自然生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的主要限制因子之一。植物在漫長的進(jìn)化過程中發(fā)展出了一套適應(yīng)缺磷環(huán)境的形態(tài)變化及生理生化方面的機制，其中根系構(gòu)型的改變是植物最顯著的適

2、應(yīng)性特征之一。近年來，研究發(fā)現(xiàn)植物響應(yīng)低磷環(huán)境的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變是由一系列的調(diào)控機制支撐的。
　　SUMO（Small Ubiquitin-related MOdifier）化修飾是近年來發(fā)現(xiàn)的一種廣泛存在的翻譯后修飾形式。與泛素作用機制相似，SUMO化修飾過程包括了SUMO前體的成熟、激活、結(jié)合、連接及去結(jié)合過程。SIZ（SAP and Miz finger domain）是SUMO化修飾途徑中的E3連接酶，在很大程度上決定了

3、靶蛋白的特異性。SIZ介導(dǎo)的SUMO化修飾已被證明參與了植物體的多種生命活動，包括植物體的生長發(fā)育、生物脅迫及各種非生物脅迫（干旱、冷、熱及鹽脅迫等）。Miura等的結(jié)果表明，AtSIZ1通過抑制生長素由根尖向側(cè)根原基的轉(zhuǎn)移負(fù)調(diào)控根構(gòu)型的改變來響應(yīng)低磷脅迫。這一研究將低磷條件下AtSIZ1對根系構(gòu)型的影響與對生長素積累的調(diào)控聯(lián)系了起來。但是，對于AtSIZ1在水稻中的同源基因OsSIZ1，這方面的研究比較少。本文以水稻純合突變體ossi

4、z1（背景為韓國水稻品種dongjin）為供試材料研究了SUMO化E3連接酶OsSIZ1基因缺失對水稻根系生長發(fā)育的影響以及與磷脅迫的關(guān)系，還初步探討了與生長素的關(guān)系。主要研究結(jié)果如下:
　　1.從種子萌發(fā)開始觀察野生型WT（dongjin）和突變體ossiz1根系的生長。統(tǒng)計分析結(jié)果表明ossiz1種子根顯著短于WT，并且生長速率小于WT?？梢?，OsSIZ1基因功能的缺失將導(dǎo)致種子根生長速率減小，水稻幼苗種子根縮短。我們推測Os

5、SIZ1可能通過調(diào)控水稻根系生長速率來影響突變體ossiz1種子根的生長。
　　2.不同磷濃度的水培實驗結(jié)果表明，與野生型WT相比，突變體ossiz1的不定根縮短，側(cè)根密度增大，根毛增多，并且缺磷時反應(yīng)更明顯。說明OsSIZ1參與調(diào)控根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，并且可能與介質(zhì)中磷濃度有關(guān)。
　　3.不同磷濃度的水培實驗結(jié)果表明，與野生型WT相比，突變體ossiz1根系中有許多不定根上在靠近根尖的部位，大側(cè)根成簇發(fā)生。OsSIZ1在種

6、子根和側(cè)根的根尖強烈表達(dá)。因此，我們推測影響不定根上大側(cè)根的發(fā)生及其生長部位是OsSIZ1負(fù)調(diào)控側(cè)根發(fā)生的機制之一。
　　4.水稻突變體ossiz1的根系形態(tài)特征發(fā)生改變，其磷素營養(yǎng)的吸收轉(zhuǎn)運也受到了影響。通過測定苗期正常供磷和缺磷水培條件下WT和突變體ossiz1地下部及地上部總磷濃度，結(jié)果顯示，無論地下部還是地上部的總磷濃度，突變體ossiz1均顯著高于野生型WT，并且缺磷時突變體ossiz1地下部中的磷向地上部的轉(zhuǎn)運也多于野

7、生型WT。這些結(jié)果表明，OsSIZ1可能通過改變根系形態(tài)調(diào)控水稻對磷的吸收。
　　5.預(yù)實驗結(jié)果表明能夠促進(jìn)WT根系生長的最適生長素濃度是0.5μM。以此為基礎(chǔ)，設(shè)置正常供磷、缺磷、正常供磷并施用外源IAA和缺磷并施用外源IAA4個處理的水培試驗。研究結(jié)果表明，與不施用外源IAA相比，兩個磷濃度時，外源IAA均促進(jìn)WT和突變體ossiz1不定根伸長、側(cè)根密度增大和根毛增多。突變體ossiz1響應(yīng)缺磷導(dǎo)致的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變可以通過

8、施加外源IAA來獲得，但外源IAA的促進(jìn)作用的強弱與介質(zhì)的磷濃度有關(guān)，并受OsSIZ1基因缺失的影響。所以我們推測，在OsSIZ1參與調(diào)控的低磷脅迫根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的建成過程中可能有生長素的參與，并且生長素與磷素營養(yǎng)之間可能存在著一定的交互作用。
　　6.通過檢測不同時間點DR5∷GU材料的GUS表達(dá)發(fā)現(xiàn)正常供磷時，突變體ossiz1幼苗根系根尖中GUS的表達(dá)弱于WT;缺磷時，隨著處理時間的延長，WT幼苗根系根尖中GUS的表達(dá)無明顯變

9、化，但突變體ossiz1幼苗根系根尖中GUS的表達(dá)有逐漸減弱的趨勢。在磷處理和外源IAA處理條件下，利用定量RT-PCR檢測了WT和突變體ossiz1幼苗中生長素合成與輸出相關(guān)基因的表達(dá)。結(jié)果表明，不同的處理條件下突變體ossiz1葉子和根系中OsYUCCA1、OsPIN1a、OsPIN1b的表達(dá)模式均會發(fā)生改變，但是磷濃度不同時，基因表達(dá)上調(diào)或下調(diào)的程度不同。我們推測OsSIZ1基因可能通過調(diào)節(jié)水稻植株體內(nèi)生長素的的分布參與調(diào)節(jié)低磷環(huán)