水稻Pht1家族磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因時(shí)空表達(dá)分析及OsPT4在水稻中的功能研究.pdf

1、水稻是世界近一半人口的主要糧食來源，其產(chǎn)量和品質(zhì)一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。磷(P)是植物必需的大量元素之一，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。水稻對(duì)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要依靠磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成，包括Pht1家族13個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。此外，砷元素(As)作為一種類金屬元素，對(duì)水稻的生長發(fā)育有毒害作用。由于具有與磷酸鹽類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，砷酸鹽可以通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道被水稻吸收。本研究對(duì)Pht1家族基因的時(shí)空表達(dá)模式進(jìn)行了研究，并且深入探究了其中一個(gè)成員O

2、sPT4在水稻磷和砷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的作用。
　　水稻Pht1家族有13個(gè)成員，分布在第1、3、4、6、8和10號(hào)染色體上。生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示Pht1家族的蛋白質(zhì)序列保守，親緣關(guān)系接近。Realtime-PCR結(jié)果表明該家族大部分基因缺磷誘導(dǎo)表達(dá)，同時(shí)啟動(dòng)子融合GUS蛋白染色結(jié)果顯示該家族基因在水稻根部均有表達(dá)，且各個(gè)基因表達(dá)的部位不同。在缺失高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHO84的酵母突變體中異源表達(dá)水稻Pht1家族基因，能夠恢復(fù)突變

3、體的表型，說明該家族基因都具有磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)活性。
　　OsPT4屬于Pht1家族，啟動(dòng)子融合GUS蛋白染色結(jié)果顯示該基因在水稻根部和地上部均有表達(dá)，并且在根表皮細(xì)胞特異性地表達(dá)。缺磷處理后，OsPT4的表達(dá)增加，同時(shí)在根表皮和外皮層有表達(dá)。亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示OsPT4定位于細(xì)胞質(zhì)膜。在正常磷環(huán)境（0.3mmol/LP）和高磷環(huán)境(1.5mmol/LP)下，超表達(dá)OsPT4會(huì)導(dǎo)致植株根部的磷濃度較野生型增加1.6和2.1倍，而OsPT

4、4-RNAi植株的主根數(shù)和分蘗數(shù)較野生型顯著減少。這些結(jié)果說明OsPT4是一個(gè)具有功能的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因，參與水稻的磷吸收過程。
　　由于砷酸鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)與磷酸鹽類似，許多磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因參與植物的砷吸收。當(dāng)日本晴加砷處理后，OsPT4的表達(dá)量在植株的地上部和地下部均緩慢增加并維持在較高狀態(tài)。OsPT4超表達(dá)材料在高砷環(huán)境（25μmol/L As和50μmol/L As）下萌發(fā)一周后出現(xiàn)砷毒害表型，植株生長受阻，株高變矮，根長變短，根

5、部砷濃度增加了33％。而OsPT4-CRISPR材料則表現(xiàn)出相反的表型，其根部砷濃度較野生型降低30％。此外，OsPT4超表達(dá)植株對(duì)砷酸鹽的最大吸收速率較野生型增加23-45％。以上結(jié)果說明磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsPT4在水稻砷吸收過程中發(fā)揮了作用。
　　OsPT4超表達(dá)植株和野生型種植于正常施肥的大田中，發(fā)現(xiàn)OsPT4超表達(dá)植株成熟期的秸稈和籽粒中的總磷濃度較野生型有顯著增加，而砷濃度差異不顯著。OsPT4可以作為一個(gè)現(xiàn)階段水稻生產(chǎn)實(shí)