水稻磷转运蛋白Pht1家族研究进展

磷(P)是植物必需大量元素,在物质组成、信号传导、产量及品质形成等过程中发挥重要作用。自然土壤中有效磷含量一般较低,农业生产中通过施用磷肥来补充作物的需要。然而无机磷施入土壤后,易通过物理、化学和生物作用被固定或转化,极大地降低其生物有效性。提高作物对磷的吸收利用能力是改善磷营养的重要途径。植物根系吸收的磷通过转运蛋白在植物体内运转利用,深化对磷转运蛋白功能的了解可为水稻磷吸收与转运分子机制、体内磷平衡调控机制等研究提供理论依据,研究限制磷吸收转运的分子机制可为培育“磷高效”水稻品种提供指导。水稻磷转运蛋白中研究较为深入和系统的是Pht1,Pht1家族含有13个成员。本文综述了水稻磷转运蛋白Pht1家族成员的结构与分类、起源,及其同源性、生物分子信息与生物学功能,重点阐述水稻Pht1家族中OsPT3、OsPT4和OsPT8在生物分子信息、基因表达和超表达等方面的研究进展。在长期进化中,Pht1家族基因在磷的吸收过程中出现了分工,各个转运蛋白之间存在功能互补,相互协作,也存在功能上的部分重叠(冗余),目前对Pht1家族各基因的功能表达以及相互之间的关系已有部分研究,但Pht1家族基因在植物体内的工作机制复杂,需进一步研究各转运蛋白间的关系。Pht1家族成员也具吸收盐类物质的作用,后续研究可关注Pht1家族成员对植物吸收和转运砷酸盐、硒、硅等的作用、关系与机理。除磷与金属盐类物质的吸收与转运外,Pht1家族成员还具备一定的抗病功能,深入研究Pht1家族成员在植物生理信号网络中的分子机制,有利于培育高抗病性和高磷利用率的优质水稻品种。

植物磷转运子PHT1家族研究进展

【目的】磷是植物生长发育所必需的大量营养元素。植物PHT1磷转运蛋白家族在植物磷吸收、运转及再利用等过程中发挥了重要作用。迄今已在多种高等植物中相继分离出大量PHT1家族基因。本文综述了国内外关于植物PHT1家族的主要研究进展,详细阐述了植物PHT1家族的表达模式、功能及可能的调控途径。【主要进展】植物PHT1家族属于MFS(major facilitator superfamily)超家族,不同物种PHT1家族蛋白的结构非常保守,通常具有12个亲脂跨膜结构域,形成"6螺旋–亲水大环–6螺旋"式的结构镶嵌于质膜当中。同时,该家族具有H_2PO_4~–/nH^+共运子、糖转运子和MFS通用转运子等特征结构域和一段保守的氨基酸特征序列GGDYPLSATIMSE。一般情况,植物PHT1家族基因吸收转运1个无机磷需要2~4个质子协同进入质膜,并伴随膜电位的变化。植物PHT1家族的磷转运特性差异较大,其动力学参数Km值差别较大。高等植物PHT1家族成员众多。在拟南芥、水稻、大豆、茄科植物及其他物种中的研究发现,PHT1家族各成员间的时空表达模式存在差异,多数成员受低磷信号调控且主要在根部表达,少部分成员在除根以外的其他器官中表达,并行使相应的磷转运功能。已有研究表明,植物PHT1家族基因的转录水平受到多因素的调控,例如外界环境中的无机磷浓度,转录因子如MYB家族、WRKY家族以及ZAT6等基因能与PHT1家族基因启动子区的特殊调控元件如MYCS元件、P1BS元件及W-box元件等结合,调控基因的转录。此外,部分PHT1家族基因的转录水平受丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)的调控。除了转录水平的调控,关于植物PHT1家族转录后水平的调控途径同样取得了较大进展。PHF1基因、含SPX结构域的蛋白家族、MicroRNA、蛋白磷酸化与去磷酸化、染色质修饰及其他等一系列调控途径均参与到PHT1家族基因的转录后调控及信号转导。植物激素如生长素、乙烯和细胞分裂素等也参与这一调控过程。【建议与展望】植物对磷吸收利用的分子调控机理及信号转导途径十分复杂,因此,培育磷高效利用基因型作物任重而道远。关于植物PHT1家族基因的研究已从模式植物向作物及其他高等植物中扩展,然而对该家族蛋白的生化及结构生物学等研究还待进一步深入。同时,对于一些基因组较复杂的多倍体物种如甘蓝型油菜、小麦、大麦及棉花等,仍有待开展进一步研究。

植物Pht1家族磷转运子的分子生物学研究进展

植物磷转运子是植物磷营养中的重要蛋白之一。对植物磷转运子蛋白的拓扑结构、功能及其基因的调控和表达位点的研究,揭示了植物磷转运子各家族中各成员在磷代谢中的角色。植物磷转运子中Pht1家族是一类H2PO4-/H+共转运子,该家族主要成员在植物根系中负责磷的吸收、转运,其表达受磷调控,因此是研究得最为深入的植物磷转运子家族。本文总结了植物Pht1家族磷转运子的最新研究进展,讨论了植物磷转运、分配的分子机理,并指出今后研究的主要方向,为开拓改良植物磷效率的新思路提供依据。

农作物Pht1家族磷转运体蛋白的生物信息学分析

以AtPT1所编码的氨基酸序列做为检索序列,通过对GenBank NR数据库以及EMBI、DDBJ、PDB数据库进行检索,发现小麦、大麦、玉米、水稻和番茄等植物中具全长cDNA的33个Pht1家族磷转运体基因,包括马铃薯1个,苜蓿5个,辣椒3个,茄子2个,烟草2个,番茄2个,菜豆1个,玉米4个,大麦2个,小麦1个,水稻7个,大豆2个和木薯1个。利用生物信息学分析,首次将Pht1家族磷转运体基因保守特征序列确定为GGDYPLSATIMSE。对检索到的33个Pht1家族磷转运体蛋白进化关系分析表明,与AtPT1亲缘关系较近的双子叶植物磷转运体蛋白是木薯MePT1和GmPT2,关系较近的单子叶植物磷转运体蛋白是OsPHT8和OsPHT12。

番茄PHT1家族磷转运蛋白研究进展

磷转运蛋白是番茄植株体内磷转运的重要载体,参与磷元素的吸收与转运,可有效提高番茄植株的磷吸收效率。近几年来,对植物磷转运蛋白1(phosphate transporter1,PHT1)的研究逐渐深入。在番茄上已经发现了8个PHT1家族基因,即Le PT1~Le PT8,其对番茄磷吸收和转运具有重要作用。本文对番茄PHT1家族基因的研究进展进行了综述,并对未来番茄PHT1研究的发展方向提出了展望。

大麦PHT1基因家族的鉴定及表达特性分析

植物磷转运蛋白1(phosphase transporter protein 1,PHT1)家族在植物磷吸收和转运中发挥着重要作用。为研究大麦PHT1基因家族成员的特性,利用生物信息学方法在全基因组范围内对大麦PHT1家族成员进行鉴定,结果共鉴定到14个大麦PHT1(HvPT1~HvPT14)基因,分布在2H、4H、5H和7H染色体上。根据系统发育关系、基因结构和保守蛋白基序,可将14个大麦PHT1基因分为3个亚群。基于RNA-seq数据对大麦品种GN121(磷高效基因型)根和叶片中12个PHT1基因的表达模式进行分析,发现在低磷胁迫处理下,根中HvPT1、HvPT7、HvPT10和HvPT12基因以及叶片中HvPT13基因均上调表达。进一步利用荧光定量PCR技术对大麦品种GN121和GN42(磷低效基因型)根中10个PHT1基因的表达模式进行分析,发现两个品种根中HvPT7、HvPT8、HvPT10、HvPT12和HvPT14基因在磷恢复后第3 d的表达量均显著低于低磷处理第22 d的表达量,推测这5个基因在低磷胁迫下参与磷的吸收和转运;此外HvPT5基因在磷恢复后第3 d的GN42根中表达量显著下降,而在GN121根中的表达量显著上升,说明HvPT5基因的表达与品种类型有关。

Pht1家族在几种植物中的研究进展

植物磷转运蛋白是植物磷营养中必需的一种膜蛋白。植物磷转运子在植物根系中负责磷的吸收、转运,其表达受磷调控,磷元素广泛存在于动植物组织中,是植物生长所必需的大量无机营养元素之一,在诸多代谢过程中都起着举足轻重的作用。在植株中,磷素通过磷酸盐转运蛋白吸收和转运,该蛋白在调控植株对磷素吸收、利用效率等方面具有重要作用。植物基因组中含有大量推测的以基因家族的形式存在的编码磷转运蛋白基因。目前已知的磷转运子分为五大家族Pht1、Pht2、Pht3、Pho1和Pho2。文中主要综述了水稻、大豆、玉米、小麦、拟南芥、番茄、苜蓿、马铃薯中Pht1家族的结构、功能及表达调控方面的研究进展。

中国莲PHT1家族成员的生物信息学分析

以植物PHT1家族蛋白为研究对象,基于中国莲(Nelumbo nucifera)全基因组数据库,利用生物信息学方法发掘中国莲可能存在的PHT1家族成员,并对中国莲PHT1家族成员进行序列比对、系统进化、保守序列、跨膜结构、二级结构和亚细胞定位等分析。结果表明,从中国莲全基因组数据库中筛选获得4个PHT1蛋白,分别命名为:Nn PHT1:1、NnPHT1:2、NnPHT1:3、NnPHT1:4。它们在植物PHT1家族中属于GroupⅠ,均含有保守序列:GGDYPLSATIxSE。该序列具有11~12个跨膜区域,且保守序列位于第4个跨膜区域内,均定位于细胞质膜,且在细胞内侧第6和第7个跨膜区域之间均含有一个较大的细胞胞质内环结构;磷酸化位点和糖基化位点的数量范围分别在33~50个和4~9个;二级结构中α-螺旋和无规卷曲结构的数量总和均高于70%。研究结果展示了中国莲的PHT1家族成员的序列基本信息和结构特点,为深入研究中国莲的该家族成员基因及其编码蛋白的结构功能提供理论依据。

野生豆Pht1基因家族的全基因组鉴定和表达分析

植物体内磷的吸收、转运和再利用过程主要是由位于质膜上的磷酸盐转运蛋白基因(phosphate transporter 1,Pht1)家族调控。目前野生豆Pht1家族基因的鉴定和系统分析尚未见报道,为了研究野生豆Pht1家族基因的进化和功能,本研究通过同源序列比对的方法鉴定并获得了野生豆Pht1家族的15个基因,分布在8条染色体上。多序列比对和系统发育分析显示这些基因分为四组,分别包含10,2,2,1个基因。基因共线性分析显示Gs Pht1家族存在6对复制基因,分别是GsPht1;1/1;5,GsPht1;2/1;7,GsPht1;3/1;14,GsPht1;6/1;10,GsPht1;8/1;9和GsPht1;12/1;13。Ka/Ks分析显示野生豆Pht1家族基因的进化经受纯化选择,Tajima相对速率测验表明基因复制事件后复制基因增加了进化速率。Gs Pht1家族基因在不同组织的表达模式显示复制基因对具有组织表达特异性,低磷胁迫条件下该家族大部分基因在不同组织中被诱导表达。本研究结果为野生豆耐低磷分子机制的研究提供了依据。

丹参Pht1基因家族的挖掘、鉴定及其特征性分析

目的对丹参Salvia miltiorrhiza基因组中存在的Pht1基因家族成员进行挖掘、鉴定和功能预测分析,为进一步研究和利用Pht1这一功能基因家族奠定基础。方法基于丹参基因组数据库及NCBI数据库,借助生物信息学方法,首先筛选获得丹参Pht1家族候选基因的序列,进而对其进行多重序列比对、保守结构查找及系统进化树构建,最后完成其特征性分析和生物学功能预测。结果从丹参基因组中共挖掘出了12个新的Pht1候选基因,加上已报道的Smpht1,共13个Pht1成员,其同源性高达74.34%,并对9个成员提供了比较可靠的功能注释。该家族基因中,Smpht1&Sm1、Sm4&Sm6、Sm5&Sm11这3对成员可能属于彼此协同进化的同功能基因;Smpht1、Sm1、Sm3、Sm5、Sm7及Sm11这6个成员在丹参根部表达,除了受缺磷特异性诱导表达的Sm7和不受磷素供缺因素所影响的Sm3以外,其余4个均有可能属于缺磷诱导增强表达型基因,进而对丹参磷素吸收起着重要作用;另外,Sm7与Sm16还有可能在丹参花器官中表达而参与植株花期磷素平衡的调节;Sm14则很有可能是一个菌根诱导特异性表达的磷转运基因。结论首次系统地从丹参基因组中挖掘筛选出Pht1基因家族,并发现了具有特征性生物学功能的成员,这将为进一步阐明Pht1在丹参生长发育和药效成分代谢中所起作用的相关研究提供背景支持和思路参考。

磷转运蛋白AsPT6对紫云英结瘤及固氮酶活性的影响

采用组织定位、超表达及RNAi等方法对紫云英中的Pht1家族磷转运蛋白AsPT6进行了研究。时空表达结果显示,AsPT6基因在根、茎、叶中均有表达,接种根瘤菌后在根和根瘤中高量表达;化学组织定位分析表明,AsPT6在根和根瘤的维管组织及根和根瘤连接处均有表达,起到向根瘤转运磷的作用;超表达及RNAi结果显示AsPT6能显著影响紫云英的结瘤及固氮酶活性。这些研究结果表明,AsPT6参与根瘤形成和发育过程中磷的转运。