玉米根系對低磷脅迫響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組分析.pdf

1、磷是植物生長發(fā)育不可缺少的大量營養(yǎng)元素之一。然而土壤有效磷濃度卻通常在1μM左右，遠(yuǎn)不能滿足植物獲取充足磷營養(yǎng)的需求。在玉米主栽區(qū)，土壤有效磷不足是限制玉米產(chǎn)量和增加生產(chǎn)成本的重要因素之一，因此深入研究玉米耐低磷機(jī)制具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。根系是高等植物吸收礦質(zhì)元素的主要器官，具有高度可塑性，其形態(tài)發(fā)育對于吸收和利用土壤中分布不均并且難于移動(dòng)的磷素尤為重要。通過改變根系形態(tài)結(jié)構(gòu)來提高對土壤磷素的吸收能力是植物應(yīng)對低磷環(huán)境的有效策略

2、之一。 1.玉米自交系齊319去胚乳幼苗根系形態(tài)對低磷環(huán)境的適應(yīng)性變化 本研究首先以玉米骨干自交系齊319去胚乳幼苗為材料，觀察分析低磷處理（5μM KH2PO4）對其根系形態(tài)的影響，明確玉米根系對低磷環(huán)境的適應(yīng)性變化。結(jié)果顯示，隨著低磷處理時(shí)間的延長，齊319植株體內(nèi)磷濃度不斷降低，磷含量顯著減少，而體內(nèi)磷素的利用效率明顯提高。但相對于地上部分，低磷脅迫下植株將更多的磷素分配到根系，這可能是低磷脅迫下植株能更好地維持根

3、系生長發(fā)育的一個(gè)重要原因；低磷脅迫下植株地上部分生長發(fā)育受到顯著抑制，而根系卻在較長的低磷處理時(shí)間內(nèi)能夠更好地維持生長；低磷脅迫植株根冠比明顯高于對照，意味著低磷脅迫下植株將更多的碳水化合物分配到根系，優(yōu)先保證根系的正常生長發(fā)育。在一定低磷脅迫時(shí)間內(nèi)，齊319軸生根生長速率加快，與足磷對照相比，軸生根的長度明顯增加。通過PI染色發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下成熟根細(xì)胞長度并未發(fā)生顯著變化，推測低磷脅迫下軸生根伸長加快可能主要是根尖細(xì)胞分裂活性增加，分裂

4、速度加快的結(jié)果。福爾根染色表明低磷脅迫下齊319側(cè)根原基數(shù)目顯著減少；低磷處理下齊319側(cè)根數(shù)目也明顯少于對照。以上結(jié)果表明低磷脅迫顯著影響玉米根系形態(tài)，而且根不同部位對低磷脅迫的響應(yīng)也不盡相同：低磷脅迫下玉米齊319軸生根長度顯著提高，而側(cè)根發(fā)生明顯受抑制，更傾向于形成一個(gè)軸生根長而分支少的根系統(tǒng)。這與低磷介導(dǎo)的擬南芥根系形態(tài)改變存在明顯不同。這些結(jié)果揭示了低磷介導(dǎo)的植物根系構(gòu)型變化具有物種特異性，不同植物的根系對低磷環(huán)境可能具有不同

5、的響應(yīng)方式。 2.利用玉米全基因組寡核苷酸芯片檢測齊319去胚乳幼苗低磷處理不同時(shí)間根尖和側(cè)根原基發(fā)生區(qū)的基因表達(dá)變化 植物對低磷環(huán)境的適應(yīng)性變化本質(zhì)上是基因表達(dá)調(diào)控發(fā)生變化的結(jié)果。利用玉米全基因組寡核苷酸芯片，以齊319去胚乳幼苗為材料，分別檢測了低磷處理1天，8天的玉米根尖區(qū)段（處理1天時(shí)軸生根生長速率和體內(nèi)磷濃度均未出現(xiàn)明顯的變化，而處理8天時(shí)，與對照相比，軸生根長已經(jīng)顯著增加，磷濃度明顯降低）和2天，8天的側(cè)根原

6、基發(fā)生區(qū)段（處理2天時(shí)側(cè)根原基數(shù)目無明顯變化，而處理8天時(shí)，與對照相比，側(cè)根原基數(shù)目已經(jīng)顯著減少）的基因表達(dá)譜變化。將處理和對照的信號(hào)值符合p<0．05，平均變化倍數(shù)≥1．5且三次獨(dú)立的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中變化倍數(shù)均大于1．5倍的探針作為有生物學(xué)意義的差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄本。結(jié)果表明，低磷處理1天，8天的玉米根尖區(qū)段中分別有130和1221個(gè)基因發(fā)生差異表達(dá)，而低磷處理2天，8天的玉米側(cè)根原基發(fā)生區(qū)段中分別有202和717個(gè)基因發(fā)生差異表達(dá)。這些差異表達(dá)

7、基因涉及代謝、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄相關(guān)、細(xì)胞增殖和生長調(diào)控、能量、運(yùn)輸、蛋白合成與命運(yùn)、細(xì)胞防御及應(yīng)答等多個(gè)分類范疇。功能分類也顯示了玉米根系對不同程度的低磷脅迫有著不同的應(yīng)答反應(yīng)。并且不同的根部位對低磷脅迫的響應(yīng)也存在明顯不同，這表明植物根系對低磷脅迫的應(yīng)答是一個(gè)復(fù)雜的過程。多種與磷素轉(zhuǎn)運(yùn)，動(dòng)員及代謝相關(guān)基因的表達(dá)，如磷轉(zhuǎn)運(yùn)體，酸性磷酸酶，核糖核酸酶，SPX基因以及磷脂，糖脂和硫脂代謝相關(guān)基因等，受到低磷脅迫的影響，這些基因的表達(dá)變化對

8、于增強(qiáng)植株磷吸收能力，提高磷利用效率具有重要意義。 在對低磷脅迫下軸生根根尖的基因表達(dá)變化分析中，發(fā)現(xiàn)大量與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，轉(zhuǎn)錄調(diào)控，細(xì)胞增殖和生長等相關(guān)基因發(fā)生差異表達(dá)，如多種蛋白激酶和磷酸酶，多個(gè)家族的轉(zhuǎn)錄因子，激素代謝和信號(hào)傳遞基因，細(xì)胞周期調(diào)控蛋白等，可能在連接外部磷濃度改變和根系適應(yīng)性變化方面扮演著重要的角色。這揭示了根尖細(xì)胞分裂活性的改變與多種細(xì)胞增殖和生長調(diào)控基因的差異表達(dá)是密切相關(guān)的。 對低磷脅迫下側(cè)根原基發(fā)生

9、區(qū)段的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，多個(gè)與側(cè)根發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)水平發(fā)生變化，如LOB domain基因，蛋白磷酸酶PP2A，Response Regulator，ACC氧化酶等，涉及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激素調(diào)控等多個(gè)方面，可能是低磷信號(hào)調(diào)節(jié)側(cè)根原基發(fā)生的中間媒介。這表明多種側(cè)根發(fā)育相關(guān)基因可能參與了低磷脅迫下玉米側(cè)根原基發(fā)生受抑制的過程，并且發(fā)揮重要作用。 總之，本工作通過對低磷處理下玉米齊319根系形態(tài)的觀察和不同處理時(shí)間時(shí)軸生根不同部位（根尖