水稻磷素吸收的生理和分子基礎(chǔ)研究.pdf

1、磷素是植物必需的大量無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素，是核酸、磷脂和ATP等生命大分子的重要組分。提高作物對(duì)土壤中磷素和施用磷肥的利用效率，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本項(xiàng)研究針對(duì)目前有關(guān)水稻磷效率生理和分子機(jī)制有待深化的現(xiàn)狀，以典型粳稻品種為材料，開(kāi)展了水稻耐低磷能力基因型差異及其生理基礎(chǔ)、水稻應(yīng)答磷脅迫特異表達(dá)基因鑒定和介導(dǎo)植株磷素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的水稻磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(OsPT2和OsPT4)分子特征、表達(dá)特性和功能的研究。主要研究結(jié)果如下：

2、>　　 1.以10個(gè)粳稻品種為材料，研究了不同供磷水平下供試品種的生長(zhǎng)和磷素吸收特性。結(jié)果表明，缺磷(20μMPi)條件下，供試水稻品種單株磷累積量具有較大差異，可劃分為高效、中效和低效三種類(lèi)型。單株干重和全磷含量與單株磷累積量在缺磷條件下呈顯著或極顯著正相關(guān)。表明缺磷條件下植株生長(zhǎng)狀況與吸磷能力強(qiáng)弱具有緊密聯(lián)系。缺磷條件下，供試水稻株高、單株葉面積與單株磷累積量表現(xiàn)趨勢(shì)相同，但單株根數(shù)、平均根長(zhǎng)和根系體積與磷素吸收關(guān)系不密切。研究表

3、明，磷脅迫條件下根系的磷吸收能力，是影響水稻品種磷吸收量的主要原因。缺磷條件下吸磷量相對(duì)增多，是磷高效品種植株性狀相對(duì)改善的重要生物學(xué)基礎(chǔ)。
　　 2.以磷高效品種TP309和優(yōu)質(zhì)8號(hào)、中效品種墾優(yōu)2000和新90-3及低效品種9618和早88-1為材料，研究了缺磷條件下供試品種的光合特性和細(xì)胞保護(hù)酶活性。缺磷條件下，隨植株生長(zhǎng)進(jìn)程，供試品種的光合速率(Pn)均不斷下降；但在同一測(cè)定時(shí)期以磷高效品種最高，中效品種次之，低效品種最

4、低。單株葉面積表現(xiàn)特征與Pn不盡不同。缺磷條件下，葉綠素(Ch1)含量、可溶蛋白含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性也表現(xiàn)為隨品種磷吸收效率提高而增大，丙二醛(MDA)含量則相反。氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)則與磷效率不具相關(guān)性。Pn、Ch1、可溶蛋白含量和SOD活性與單株磷累積量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，MDA與單株磷累積量呈顯著負(fù)相關(guān)。表明可用上述生理生化參數(shù)作為鑒定水稻耐低磷能力的參考指標(biāo)。研究表明，較強(qiáng)的SOD活性是高效供試品

5、種在缺磷條件下細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度低的重要原因，并在維持光合器官功能中具有重要作用。
　　 3.采用cDNA-AFLP技術(shù)，鑒定了磷高效品種TP309在低磷脅迫下的特異表達(dá)基因。共鑒定特異表達(dá)基因54個(gè)，其中22個(gè)具有推定功能。已知功能基因分別歸屬于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、氨基酸合成、物質(zhì)運(yùn)輸、逆境響應(yīng)和蛋白質(zhì)合成等6個(gè)功能類(lèi)別。
　　 14-3.3類(lèi)似蛋白基因(AF451190)在低磷脅迫下增強(qiáng)表達(dá)，可能對(duì)于增強(qiáng)質(zhì)膜H+泵活

6、力、進(jìn)而增強(qiáng)在低磷脅迫下的磷素吸收中具有較重要作用。絲氨酸/蘇氨酸激酶基因(AK100849)的表達(dá)受到低磷脅迫誘導(dǎo)，可能參與了胞內(nèi)低磷逆境信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。信號(hào)肽酶基因(AB066265)可能參與了胞內(nèi)低磷逆境信號(hào)傳遞體中特定蛋白的剪切、加工，介導(dǎo)轉(zhuǎn)至胞內(nèi)低磷信號(hào)的進(jìn)一步傳遞。本研究中，鑒定了bHLH型轉(zhuǎn)錄因子基因OsPTF1(AY238991)也呈低磷脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。表明該轉(zhuǎn)錄因子在增強(qiáng)供試品種TP309在低磷脅迫條件下的磷素吸收和利用

7、中具有較重要作用。此外，熱激轉(zhuǎn)錄因子基因(AK065643)參與了下游低磷應(yīng)答部分基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。HAK8基因(AJ427977)上調(diào)表達(dá)，表明磷脅迫條件下植株的鉀素吸收特征也發(fā)生一定改變。本研究鑒定了8個(gè)應(yīng)答低磷逆境響應(yīng)基因，有關(guān)上述基因的功能有待進(jìn)一步探討。研究表明，水稻對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)，存在著植株對(duì)低磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、特定基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和植株在生理生化和形態(tài)學(xué)上對(duì)低磷應(yīng)答等復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。
　　 4.水稻磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsPT

8、2的編碼閱讀框?yàn)?587bp，編碼528個(gè)氨基酸，蛋白分子量57.84kDa，等電點(diǎn)8.68。編碼蛋白含有12個(gè)跨膜域。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明，OsPT2與水稻OsPT1、PT1、PTs1和OsPT3，及小麥PT8、大麥PT和玉米PT4高度同源。在正常供磷(CK，2mMPi)條件下，OsPT2在根系和葉片中均有表達(dá)，但以在葉中的表達(dá)水平較高。隨著磷水平降低，OsPT2在根中的表達(dá)增強(qiáng)，在葉中的表達(dá)表現(xiàn)為隨外界磷濃度變化保持穩(wěn)定的組成型特征。在

9、低磷(20μMPi)條件下，在根中表達(dá)隨著低磷處理時(shí)間延長(zhǎng)不斷增加。低NH4+對(duì)根葉中OsPT2的表達(dá)產(chǎn)生負(fù)向調(diào)控效應(yīng)，但外界NO3-、K+、Fe2+和Zn2+濃度的變化對(duì)OsPT2的表達(dá)沒(méi)有影響。OsPT2啟動(dòng)子中含有許多應(yīng)答非生物逆境的調(diào)控元件，其中應(yīng)答低磷脅迫逆境的PIBS可能與根系中OsPT2低磷增強(qiáng)表達(dá)有關(guān)。OsPT2啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)報(bào)告基因Gus在不同磷水平下的表達(dá)結(jié)果，與OsPT2在相應(yīng)磷水平下的表達(dá)特征相一致。
　　

10、對(duì)野生型植株(CK)和具有不同OsPT2表達(dá)水平的煙草轉(zhuǎn)基因系1、4和6T2植株研究表明，與CK相比，轉(zhuǎn)基因煙草植株的全磷含量沒(méi)有差異。但轉(zhuǎn)基因系植株的單株干重、單株磷累積量和光合速率較CK均有不同程度的增加，表現(xiàn)為隨植株中OsPT2表達(dá)水平提高，上述性狀或參數(shù)數(shù)值不斷增大。因此，異源表達(dá)OsPT2，具有增強(qiáng)植株在低磷脅迫條件下磷素吸收和改善植株光合碳同化能力的作用。
　　 5.水稻磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsPT4的編碼閱讀框?yàn)?617

11、bp，編碼538個(gè)氨基酸，蛋白分子量58.83kDa，等電點(diǎn)8.24。OsPT4含有11個(gè)跨膜域，各跨膜域的氨基酸殘基數(shù)量變化在17～27之間。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明，OsPT4與水稻Phtll-2、PT5、小麥PT1、大麥HvPT4和玉米PT2具有較高的同源性。在不同供磷水平下，OsPT4在植株根系中均不表達(dá)，在葉片中的表達(dá)表現(xiàn)為隨介質(zhì)中磷水平降低不斷增強(qiáng)。在低磷脅迫(20μMPi)條件下，OsPT4在葉中的表達(dá)表現(xiàn)為，隨著低磷處理時(shí)間延長(zhǎng)

12、表達(dá)水平呈不斷增加趨勢(shì)。葉中OsPT4對(duì)外界NH4+、NO3-、K+、Fe2+和Zn2+濃度的變化均不產(chǎn)生應(yīng)答。研究表明，在OsPT4啟動(dòng)子中，不存在應(yīng)答低磷脅迫逆境的重要調(diào)控元件PIBS，表明OsPT4在葉片中對(duì)低磷脅迫的上調(diào)應(yīng)答，與未知的其他調(diào)控元件有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，OsPT4啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)報(bào)告基因Gus在不同磷水平下的表達(dá)結(jié)果，與OsPT4在相應(yīng)磷水平下的表達(dá)特征相吻合。
　　 高表達(dá)OsPT4的轉(zhuǎn)基因煙草植株(轉(zhuǎn)基因系1、5和