水稻OsSPX家族基因OsSPX1和OsSPX3在磷信號傳導途徑中的功能研究.pdf

1、磷是植物生長發(fā)育所必需的大量元素。雖然土壤中的總磷含量很豐富，但是可利用磷非常低，因而磷成為限制作物產(chǎn)量的重要因素之一。對植物磷饑餓響應基因的功能研究將有助于人們更好地了解磷饑餓信號傳導途徑的分子機理，對磷高效吸收和利用優(yōu)良作物品種的培育，提高糧食產(chǎn)量意義重大。
　　 含SPX（SYG1/Pho81/XPR1）結構域的蛋白在真核生物中廣泛存在，但目前為止研究不多。酵母中報道SPX蛋白Pho81很可能與磷信號途徑有關。通過對已知的

2、SPX結構域序列和水稻蛋白組數(shù)據(jù)庫進行比對，我們在水稻中發(fā)現(xiàn)有5個只編碼含有SPX結構域蛋白的基因。根據(jù)SPX結構域的保守性由高到低，我們依次將其命名為OsSPX1~5。本研究主要對其中的兩個基因OsSPX1(Os06g40120)和OsSPX3（Os10g25310）進行了生物信息學及基因功能的研究。
　　 系統(tǒng)進化樹表明，OsSPX1與AtSPX1在進化上親緣關系較近，OsSPX3與AtSPX3同源性較高，AtSPX1和At

3、SPX3是已知的擬南芥中參與磷信號傳導途徑的SPX基因。OsSPX1和OsSPX3都帶有3個外顯子和2個內(nèi)含子，且只含有一個SPX保守結構域。OsSPX1基因本底表達水平很低，主要在磷饑餓條件下的水稻根部被強烈誘導表達。OsSPX1的超表達（OsSPXl-Oe）和干涉（OsSPXl-Ri）轉基因植株生長矮小，地上部和根部生物量相比野生型(WT)顯著減少。在正常供磷條件下，OsSPXl-Ri材料老葉中有枯死斑，而缺磷條件下沒有類似的表型；

4、OsSPXl-Ri材料葉片中的無機磷(Pi)含量相比WT約上調(diào)了1～2倍，且老葉中磷含量遠高于新葉，表明OsSPXl-Ri老葉的枯死病斑是由于Pi超積累引起的磷毒害癥狀。
　　 為進一步研究OsSPX1基因?qū)λ倔w內(nèi)磷平衡的影響，我們跟蹤檢測了不同生長時段和不同葉片間的磷含量，結果顯示OsSPX1-Ri材料不同葉片包括新葉中的磷含量都顯著多于WT，而OsSPX1-Oe嫩葉中的磷含量不及WT。該結果表明OsSPXl基因可能參與抑制

5、水稻根部對磷的吸收，或者水稻體內(nèi)磷由根部至地上部的轉運過程。
　　 通過定量RT-PCR檢測發(fā)現(xiàn)，OsPHR2超表達轉基因材料和Ospho2突變體中OsSPX1基因的表達都受到顯著上調(diào)，這表明OsSPX1在磷信號通路上位于水稻中核心轉錄因子OsPHR2和泛素化降解途徑E2結合酶OsPH02的下游。另外，包括OslPS1和OslPS2在內(nèi)的10個磷饑餓響應基因的表達在缺磷培養(yǎng)條件下的OsSPX1-Oe轉基因材料中都受到顯著抑制，暗

6、示OsSPX1是磷信號傳導途徑的抑制子。其中，兩個磷轉運體OsPT2和OsPT8的表達在正常供磷培養(yǎng)條件下的OsSPX1-Oe中就受到顯著抑制，相反OsSPX1-Pi材料中這兩個基因的表達顯著高于WT，進一步暗示OsSPX1-Ri中磷的超積累很可能是由這兩個磷轉運體基因的上調(diào)表達引起的。
　　 由于砷酸鹽和磷酸鹽的吸收共享磷轉運體，結合上述OsSPX1抑制磷轉運體基因表達的研究結果，我們初步開展了OsSPX1基因與砷吸收的關系研

7、究。實驗發(fā)現(xiàn)，OsSPX1-Oe材料中積累的砷含量顯著少于WT，而OsSPX1-Ri材料與此相反，這再一次驗證OsSPX1的異常表達對磷轉運體的影響，同時預示該基因在未來抗砷酸水稻品種的培育中可能具有潛在的應用價值。
　　 此外，我們還對OsSPX3基因的功能進行了初步的研究。結果顯示，超表達OsSPX3和超表達OsSPX1對植株生長產(chǎn)生類似的影響，即生長受到顯著抑制，并且葉片中的磷積累相比WT少。說明OsSPX3的超表達也打破

8、了植物體內(nèi)的磷平衡，OsSPX3很可能同OsSPX1一樣，參與水稻中的磷信號傳導途徑。通過定量RT-PCR檢測發(fā)現(xiàn)，OsSPX3同樣參與水稻中以OsPHR2為中心的調(diào)控網(wǎng)絡，受到OsPHR2的誘導調(diào)控和OsPH02的抑制調(diào)控，并且OsSPX3超表達材料中OsSPX1和OsPT2基因的表達受到顯著抑制，暗示OsSPX3和OsSPX1很可能有互作，而OsPT2的下調(diào)表達很可能是導致OsSPX3超表達材料葉片中磷積累降低的主要原因。