水稻鐵磷互作的分子機(jī)理及富鐵轉(zhuǎn)基因水稻研究.pdf

1、鐵是維持植物正常生命活動的重要微量元素。雖然土壤中富含鐵素，但是由于鐵的可利用性非常低，因此植物缺鐵現(xiàn)象相當(dāng)普遍。同時，由于植物是人類與其他動物鐵營養(yǎng)的主要來源，研究并闡明植物中鐵的吸收、轉(zhuǎn)運、代謝、儲存等機(jī)制，對于提高全球糧食產(chǎn)量和改善人類營養(yǎng)意義重大。
　　 磷是影響植物鐵的吸收利用及其有效性的一個重要因素，鐵磷元素之間存在的生理拮抗互作是植物營養(yǎng)研究領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點。為探明磷對于水稻鐵的吸收利用的影響及鐵磷互作的分子機(jī)制

2、，本研究對苗期水稻植株進(jìn)行不同鐵磷營養(yǎng)的供給處理(+Fe+P，-Fe+P，+Fe-P，-Fe-P)，分析了在不同磷鐵供給水平下水稻幼苗的生理表現(xiàn)和基因表達(dá)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，雖然水稻植株中的總鐵含量在兩種缺鐵處理中(-Fe+P，-Fe-P)都顯著的降低，但是水稻植株只在-Fe+P處理條件下表現(xiàn)為顯著缺鐵癥狀。進(jìn)一步對四種處理條件下的植株水溶性鐵含量的分析結(jié)果顯示相對于-Fe+P處理條件，-Fe-P條件下水稻植株中有效鐵含量顯著提高，表明缺

3、磷能夠顯著提高植株中鐵的有效性。這一結(jié)論在兩種+Fe條件下同樣適用，即+Fe+P條件下鐵的有效性顯著的低于+Fe-P條件。以上結(jié)果更明確了植物鐵磷拮抗互作的普遍性。
　　 利用Affymetrix水稻全基因組芯片對上述四種不同鐵磷水平處理的水稻根及地上部分的基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本分析得到如下結(jié)果。首先，基因表達(dá)的主成分分析與基因差異表達(dá)數(shù)都表明，相對于單種元素的缺乏(缺鐵或缺磷)，鐵磷雙缺與正常培養(yǎng)條件的基因表達(dá)譜相似度較高，說明鐵磷

4、間存在的拮抗互作關(guān)系。其次，與+Fe+P條件相比，-Fe+P條件下產(chǎn)生了總共7，628個顯著性(P<0.05)差異表達(dá)基因，而這些基因中僅有約15％在-Fe-P條件下仍存在顯著性差異。說明缺磷能夠很大程度上回復(fù)缺鐵響應(yīng)基因的差異性誘導(dǎo)表達(dá)。此外，通過上述基因差異表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)了許多參與鐵的吸收與轉(zhuǎn)運，缺鐵響應(yīng)基因的表達(dá)調(diào)控基因以及代謝途徑相關(guān)基因等缺鐵響應(yīng)基因，其中不僅包含了一些已知的缺鐵響應(yīng)基因(例如 IR02， OsIRT1，OsA

5、AS1，OsYSL15等)，還發(fā)掘了許多未有報道的新的缺鐵響應(yīng)基因，例如OPT轉(zhuǎn)運體家族基因OsOPT1與OsOPT2， bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子OsIRbHLH1與OsIRbHLH2等。對這些新發(fā)現(xiàn)的缺鐵響應(yīng)基因功能的研究將大大提高我們對植物缺鐵響應(yīng)過程的了解，也將為這些基因在分子育種中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　 在上述新發(fā)現(xiàn)的缺鐵相應(yīng)基因中，我們選取一個在水稻根及地上部分都顯著受缺鐵上調(diào)表達(dá)的bHLH轉(zhuǎn)錄因子OsIRbHLH2進(jìn)

6、行了功能的初步研究。通過各種缺素處理下基因表達(dá)分析表明該基因在水稻根及地上部分受缺鐵特異響應(yīng)，該基因與sGFP的融合表達(dá)亞細(xì)胞定位結(jié)果表明OsIRbHLH2蛋白定位于細(xì)胞核內(nèi)，可能為轉(zhuǎn)錄因子。對OsIRbHLH2超表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻的缺鐵響應(yīng)表型及基因表達(dá)的分析表明，OsIRbHLH2對水稻缺鐵響應(yīng)基因的表達(dá)有負(fù)調(diào)控效應(yīng)，過量表達(dá)OsIRbHLH2造成轉(zhuǎn)基因水稻在低鐵條件下不能有效的誘導(dǎo)缺鐵響應(yīng)機(jī)制，從而表現(xiàn)出對缺鐵超敏感的現(xiàn)象。
　

7、　 對植物缺鐵響應(yīng)機(jī)制及鐵的動態(tài)平衡的研究的一個重要目標(biāo)是應(yīng)用于培育富鐵作物來解決目前全球性缺鐵流行的問題，本研究利用基因工程技術(shù)與鐵生物有效性評價的細(xì)胞模型篩選并發(fā)現(xiàn)了一種新的能夠促進(jìn)鐵吸收的成分物質(zhì)一尼克酰胺(Nicotianamine，NA)。水稻種子中特異超表達(dá)NA合成酶基因OsNAS1后獲得的NA高積累的轉(zhuǎn)基因水稻，在人結(jié)腸癌細(xì)胞系(human colonadenocarcinoma cell line，Caco-2)細(xì)胞模