毛叶苕子磷饥饿响应基因VvPHR1的克隆及功能研究

【目的】磷饥饿响应因子PHR(phosphate starvation response)在植物根系发育和磷养分吸收中起重要作用,本研究主要阐明毛叶苕子VvPHR1基因生物学功能,为培育磷高效型绿肥作物提供理论依据。【方法】通过转录组测序获得毛叶苕子VvPHR1基因序列。采用酵母单杂交方法验证VvPHR1基因的转录激活功能,构建其过表达载体,利用花粉管通道法分别遗传转化野生型和突变体(Atphr1)拟南芥,获得超量表达VvPHR1基因和突变体功能回补转基因材料。对正常磷(1 mmol/L Pi)和低磷(1μmol/L Pi)的培养基中生长30天的拟南芥取样,采用实时荧光定量PCR对野生型和转基因拟南芥中VvPHR1及下游磷转运基因的表达进行分析,并对转基因材料进行表型分析,测定其主根长、鲜重、总磷及无机磷(phosphate,Pi)含量。【结果】毛叶苕子转录组中有13个PHR基因,转录本129590、96227、120424与拟南芥的PHR1相似度最高,其中转录本120424在低磷诱导下表达量最高,将该转录本命名为VvPHR1基因。该基因cDNA全长1008 bp,编码335个氨基酸,推测编码蛋白的分子量为36.5 KD,等电点为6.04。系统发育树构建结果显示,该基因与蒺藜苜蓿和大豆PHR1基因的亲缘关系较近。亚细胞定位分析表明,VvPHR1基因定位在细胞核中。酵母单杂交结果显示,VvPHR1基因在酵母细胞中具有转录激活活性,能够激活下游报告基因表达。实时荧光定量PCR结果显示,与野生型相比,低磷胁迫下转VvPHR1基因拟南芥中VvPHR1基因及其下游调控的磷转运蛋白基因的表达量均显著上调。进一步研究转VvPHR1基因植株表型发现,在正常磷培养基中,野生型与转VvPHR1基因型拟南芥,以及突变体与突变体回补型拟南芥之间植株长势、主根长、全磷和无机磷含量均无显著差异;而在低磷培养基中,转VvPHR1基因拟南芥与野生型及突变体回补型拟南芥与突变体相比,主根更长,且植株全磷和无机磷含量均显著增加。【结论】毛叶苕子VvPHR1基因定位在细胞核中且具有转录自激活活性,具有转录因子的功能特征。在低磷条件下,VvPHR1基因在转基因拟南芥的表达显著上调,能够促进根系伸长和增加植株对磷吸收,与拟南芥AtPHR1基因有相似的功能。

基于转录组学分析辣椒对磷营养逆境的响应

【目的】探究辣椒幼苗在不同梯度磷胁迫下的转录水平及生理响应的变化,分析不同梯度磷胁迫的重要通路,并结合相关生理试验分析辣椒应对磷营养逆境的生理机制,筛选出调控磷营养逆境的转录因子及核心基因,为辣椒选育提供理论基础和基因资源。【方法】本研究以纯系辣椒CA#8幼苗根系为试验材料,采用霍格兰水培法培养至四叶一心期进行4个不同梯度磷胁迫处理,分别为对照组(CK,200μmol·L^(-1)NH_(4)H_(2)PO_(4))、缺磷胁迫组(DP,0μmol·L^(-1)NH_(4)H_(2)PO_(4))、低磷胁迫组(LP,20μmol·L^(-1)NH_(4)H_(2)PO_(4))和高磷胁迫组(HP,1000μmol·L^(-1)NH_(4)H_(2)PO_(4))。处理2 d后对辣椒根系进行转录组测序(RNA-Seq),并在处理0、2、4和6 d后测定辣椒根系内源激素和抗氧化酶活性。【结果】与CK组对比,DP、LP、HP组的差异表达基因(DEG)分别为626、107、171个,通过GO、KEGG富集分析和WGCNA分析发现10个与磷信号途径相关的DEG,4个与植物激素信号转导途径相关的DEG,7个与抗氧化酶活性相关的DEG,并进行实时荧光定量(q RT-PCR)验证了转录组数据的准确性。对辣椒幼苗根系内源激素定量测定发现,随着磷胁迫时间的增加,与CK组对比,DP、LP、HP组幼苗根系内各种生长促进类的植物内源激素如赤霉素(GA)、油菜素内酯(BR)、细胞分裂素(CTK)、吲哚乙酸(IAA)、独脚金内酯(SL)、茉莉酸(JA)含量降低,生长抑制类激素如乙烯(ETH)、脱落酸(ABA)含量上升。其中,缺磷胁迫和低磷胁迫表现最为明显,对幼苗根系生长的抑制程度最大。不同梯度磷胁迫处理能够诱导辣椒组织中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性升高,胁迫后期SOD活性下降,POD和CAT活性趋于稳定。【结论】磷营养逆境下,辣椒通过响应磷信号途径、植物激素信号转导途径及抗氧化酶活性相关的差异表达基因,缓解了磷胁迫对辣椒幼苗生长的影响,增强了辣椒对磷胁迫的耐受性。

植物磷获取机制及其对全球变化的响应

磷是植物生长的必需元素,而陆地生态系统普遍存在磷限制,全球变化可能会影响土壤磷循环过程,进一步加剧磷限制,探讨植物磷获取策略对科学预测生态系统生产力如何适应全球变化具有重要意义。该文通过收集和梳理相关文献,从4个方面综述植物的磷获取机制及其对全球变化的响应:1)植物的磷饥饿响应机制;2)植物的磷获取途径和策略;3)土壤微生物对植物磷吸收的影响;4)植物磷吸收对全球变化(温度升高、氮沉降和降水变化)的响应及其机制。该综述有助于深入理解全球变化背景下植物适应低磷胁迫的机理,也可为养分资源管理实践提供理论依据。

植物硫酸盐转运体研究进展

硫元素是植物生长发育所必需的矿物质营养元素,主要参与光合作用、呼吸作用、氮固定、蛋白质和脂类合成等重要生理生化过程。植物通过硫酸盐转运体以硫酸根(SO_(4)^(2-))的形式从土壤中吸收硫酸盐。当硫酸盐被吸收进入根系细胞内部后,植物通过质外体和共质体两种养分的运输途径将其运输到根中维管束,进而加载到地上部。当外界硫素充足时,植物将吸收的过量硫储存在液泡中,一旦土壤中硫素缺乏时,液泡储存的硫会释放到细胞质中,进行再分配,以维持植物体内硫酸盐的平衡。到目前为止,硫酸盐转运体的研究主要集中在模式植物拟南芥,对其他植物中的研究还较少。硫缺乏会严重抑制植物的正常生长。在进化过程中植物形成了一整套应对缺硫的分子机制来增加硫的吸收、运输和利用,调节自身的生长发育,其中,硫酸盐转运蛋白在应对硫胁迫过程中起重要的作用。本文将重点阐述植物中硫酸盐从土壤吸收进根系、运输和再分配的分子机制,并对今后的植物硫素吸收转运的研究重点进行展望。

桑树PHR家族基因的鉴定及生物信息学分析

磷是植物生长发育的主要矿质营养元素之一,磷饥饿响应(phosphate starvation response, PHR)基因在调节植物磷素吸收中起着重要作用。鉴定桑树磷饥饿响应转录因子家族成员,分析其生物信息学特征,为桑树PHR家族基因的功能研究提供基础。从桑树基因组数据库中获得桑树PHR转录因子序列,利用GSDS、ExPASy、MEGA、MEME、psRNATarget、STRING等软件和网上转录组数据,对桑树PHR家族成员的基因结构、蛋白理化性质、保守基序、系统进化、基因组织表达、调控miRNA和蛋白互作网络进行分析。从桑树基因组中共鉴定出12个PHR基因家族成员,氨基酸数介于256~1 529之间,83.3%的成员属于酸性蛋白,所有成员均为亲水性蛋白。进化分析显示,MnPHR转录因子归为9个聚类组,各聚类组含有1~2个MnPHR成员。外显子数为6、7、8、19的MnPHR编码基因成员分别有7个、3个、1个、1个,同一聚类组中的基因结构类似。发现4个保守性较强的基序,所有MnPHR转录因子均含有基序1~4,聚类组Ⅰ~Ⅳ的MnPHR转录因子缺少基序6。基因组织表达分析发现10个桑树PHR基因在不同组织中有表达,且存在组织特异性,部分基因转录可能受miRNA的调控。MnPHR1的蛋白互作网络分析发现,其主要参与了纤维素合成和转录因子表达调控等生物学过程。桑树PHR家族基因结构和氨基酸序列具有较强的保守性,其组织表达和蛋白互作网络结果表明该家族基因在植物的生长发育和营养吸收过程中发挥作用。本研究结果为深入开展桑树磷吸收和转运相关基因的克隆和功能验证提供了基础。