水稻OsSPX-MFS家族基因的功能研究.pdf

1、磷是植物生長和發(fā)育過程中所必需的重要營養(yǎng)元素。盡管其在地殼中含量豐富，但其中能被植物直接吸收利用的非常少，缺磷是作物產(chǎn)量受限的重要因素。為了提高作物產(chǎn)量而過量添加磷肥的傳統(tǒng)手段會引起經(jīng)濟成本增加和環(huán)境污染。
　　 植物自身會通過一系列的方式來適應(yīng)外界缺磷環(huán)境，包括根系構(gòu)型的改變，提高高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運體的表達，調(diào)節(jié)代謝以維持細(xì)胞內(nèi)的磷動態(tài)平衡，以及誘導(dǎo)分泌磷酸酶和有機酸來利用有機物形式中的磷。對植物磷饑餓信號機制的深入研究，將引導(dǎo)

2、人們用分子手段去改善作物適應(yīng)缺磷環(huán)境，在生產(chǎn)應(yīng)用上極具指導(dǎo)意義。本研究通過對水稻SPX-MFS家族的基因克隆和功能分析，揭示了水稻SPX-MFS1基因在植物葉片磷動態(tài)平衡中扮演重要角色。
　　 在植物中含有SPX結(jié)構(gòu)域的蛋白可以被分為4個家族，其中SPX, SPX-EXS，SPX-RING三個家族的基因都陸續(xù)被報道參與植物無機磷酸鹽的運輸或者參與磷信號通路的調(diào)控。但SPX-MFS(Major Facility Superfami

3、ly)家族的功能依舊不為人所知。對OsSPX-MFS家族的基因結(jié)構(gòu)分析，我們發(fā)現(xiàn)OsSPX-MFS1和OsSPX-MFS2的基因序列上含有osa-miR827的結(jié)合位點，表明這兩個基因是osa-miR827的靶基因，能夠受到其調(diào)控。蛋白序列比對顯示OsSPX-MFS1和OsSPX-MFS2的同一性和相似性最高，表示這兩個基因的功能可能最為相似。
　　 跨膜結(jié)構(gòu)域分析顯示OsSPX-MFS家族蛋白的SPX結(jié)構(gòu)域位于胞質(zhì)溶液外，而M

4、FS結(jié)構(gòu)域擁有10個跨膜結(jié)構(gòu)域定位于膜上。進一步的亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示，OsSPX-MFS家族蛋白在細(xì)胞內(nèi)都定位于液泡膜中，MFS結(jié)構(gòu)域控制蛋白的定位情況。
　　 通過基因表達分析發(fā)現(xiàn)，OsSPX-MFS1和OsSPX-MFS3的表達受缺磷抑制，而OsSPX-MFS2受缺磷誘導(dǎo)。磷濃度梯度實驗顯示這些缺磷響應(yīng)起始于不同程度的缺磷狀況，并且隨著缺磷程度的加重其表達水平的變化更加明顯。時間周期實驗也揭示出這些基因?qū)θ绷椎捻憫?yīng)是緩慢而漸

5、進的。
　　 在OsPHR2超表達株系中分析OsSPX-MFS家族基因表達水平，發(fā)現(xiàn)osa-miR827-OsSPX-MFS1/2通路受到水稻磷信號的核心轉(zhuǎn)錄因子OsPHR2的調(diào)控。
　　 進一步，我們在osa-miR827超表達株系和OsSPX-MFS1插入突變體mfs1中，觀察到一系列磷饑餓誘導(dǎo)基因的誘導(dǎo)水平受到了削弱，比如OsSPX1，OsPAP10a，OsIPS1，OsACP以及部分OsPT基因。由于含有MFS結(jié)

6、構(gòu)域的蛋白常與轉(zhuǎn)運特定底物有關(guān)，我們懷疑OsSPX-MFS基因可能會參與磷相關(guān)離子的轉(zhuǎn)運。為此，我們分析了osa-miR827超表達材料和mfs1突變體材料的有效磷含量，發(fā)現(xiàn)材料中的有效磷含量在地上部顯著增加。對不同葉片中磷含量進行分別測定后，我們確定了這種磷含量的增加主要來自老葉中有效磷含量的積累，在新葉中這種差異并不明顯。
　　 為確定OsSPX-MFS1基因?qū)α紫嚓P(guān)離子具有轉(zhuǎn)運能力，我們分別使用缺失酵母高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運子的