耐低磷水稻品種篩選和根系形態(tài)重塑機(jī)制.pdf

1、磷是水稻生長發(fā)育必需的大量元素之一，也是水稻利用率較低的元素，土壤有效磷含量不足嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)。外源磷肥的大量施用雖然在一定程度上提高了水稻產(chǎn)量，但大量消耗了不可再生的磷礦資源，同時(shí)增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，并加重了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在現(xiàn)有水稻材料中，篩選磷高效水稻品種，研究其耐低磷機(jī)制，發(fā)掘水稻中的耐低磷關(guān)鍵基因，對(duì)于充分利用水稻固有的生物學(xué)特性以提高土壤磷的利用效率及磷高效水稻新品種的分子改良，具有重要意義。本文首先從40

2、個(gè)不同基因型水稻品種中篩選出對(duì)磷素利用效率不同的代表性水稻品種，進(jìn)而應(yīng)用基因芯片和實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qRT-PCR)技術(shù)，分析耐低磷水稻根系基因表達(dá)對(duì)低磷脅迫的應(yīng)答，探討低磷脅迫下水稻根系形態(tài)重塑的機(jī)制，發(fā)掘出與根系形態(tài)重塑相關(guān)的關(guān)鍵基因。主要結(jié)論如下:
　　1.篩選出了不同基因型的耐低磷水稻品種
　　在低磷和正常供磷條件下對(duì)40個(gè)不同水稻品種進(jìn)行全生育期培養(yǎng)液培養(yǎng)，通過對(duì)性狀的考察和分析，以篩選不同類型耐低磷水稻品種（系

3、）。結(jié)果表明，在低磷處理下所有供試品種的分蘗數(shù)、穗數(shù)、根系總干重、葉內(nèi)磷含量均較對(duì)照顯著降低，多數(shù)品種的株高也較對(duì)照略有下降，其中以分蘗數(shù)、穗數(shù)對(duì)低磷脅迫最為敏感，且降幅最高，而極大多數(shù)品種的根長較對(duì)照大幅增高。進(jìn)而根據(jù)對(duì)穗數(shù)和根長相關(guān)關(guān)系的分析，篩選出三類不同的低磷應(yīng)答型水稻品種（系），即:磷高效吸收利用應(yīng)答基因型（儀粳2434、鄭旱6號(hào)），根系形態(tài)重塑應(yīng)答基因型（鎮(zhèn)稻99、華瑞稻1號(hào)），低磷敏感基因型（通粳981、儀粳2490）。并

4、通過體內(nèi)磷含量測(cè)定和根系掃描結(jié)果，進(jìn)一步在上述所篩選出的三類低磷應(yīng)答基因型品種中劃分出了相應(yīng)的亞類型。
　　2.基因芯片檢測(cè)到水稻根系中對(duì)低磷脅迫的差異表達(dá)基因
　　在低磷處理15天后，應(yīng)用基因芯片技術(shù)對(duì)根系形態(tài)重塑應(yīng)答基因型水稻品種鎮(zhèn)稻99根系中的基因表達(dá)譜進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,在46000多個(gè)水稻基因中，鎮(zhèn)稻99根系對(duì)低磷脅迫的有效差異表達(dá)(ratio值≥2或≤0.5)基因共有1875個(gè)，其中上調(diào)基因924個(gè)，下調(diào)基因9

5、51個(gè)。根據(jù)生物學(xué)數(shù)據(jù)庫查詢和文獻(xiàn)查閱，進(jìn)一步篩選出了其功能可能與根系形態(tài)重塑相關(guān)的低磷處理誘導(dǎo)表達(dá)基因，這些基因的功能類型分別屬于:根系形態(tài)關(guān)鍵調(diào)控基因（10個(gè)）、轉(zhuǎn)錄及生長調(diào)控相關(guān)基因（16個(gè)）、根冠蛋白基因（7個(gè)）、根系細(xì)胞壁物質(zhì)合成和代謝相關(guān)基因（12個(gè)）、細(xì)胞膨脹素基因（12個(gè)）、激素代謝與激素信號(hào)途徑相關(guān)基因（16個(gè)）。
　　3.低磷脅迫誘導(dǎo)表達(dá)基因的qRT-PCR驗(yàn)證
　　進(jìn)一步采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)，對(duì)鎮(zhèn)

6、稻99和低磷敏感基因型品種通粳981根系中與根系形態(tài)重塑相關(guān)基因在低磷脅迫下的轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在鎮(zhèn)稻99根系中，所選擇驗(yàn)證的5個(gè)根系形態(tài)關(guān)鍵調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄都受到低磷脅迫的誘導(dǎo);在通粳981中根系中，除P-type R2R3 Myb在低磷脅迫下的轉(zhuǎn)錄水平基本維持不變外其余均受到低磷脅迫的明顯抑制。所驗(yàn)證的7個(gè)轉(zhuǎn)錄與生長調(diào)控相關(guān)基因在低磷脅迫下的鎮(zhèn)稻99根系中均表現(xiàn)為上調(diào)表達(dá);而在低磷脅迫下的通粳981根系中，ENOD93、M

7、ADS-box基因表現(xiàn)為明顯的下調(diào)表達(dá)，其余基因表現(xiàn)為上調(diào)表達(dá)，但上調(diào)倍數(shù)明顯低于鎮(zhèn)稻99。所驗(yàn)證的3個(gè)根冠蛋白基因在經(jīng)低磷處理的兩個(gè)水稻品種根系中均呈現(xiàn)明顯的上調(diào)表達(dá)，但在鎮(zhèn)稻99根系中的上調(diào)倍數(shù)高于鎮(zhèn)稻99。所驗(yàn)證的6個(gè)根系細(xì)胞壁物質(zhì)合成和代謝相關(guān)基因除了漆酶-25在低磷脅迫下鎮(zhèn)稻99根系中上調(diào)表達(dá)而在通粳981根系中下調(diào)表達(dá)外，其余基因在兩共試水稻品種根系中均表現(xiàn)為上調(diào)表達(dá)。所驗(yàn)證的5個(gè)細(xì)胞膨脹素基因中的多數(shù)在經(jīng)低磷處理的鎮(zhèn)稻99

8、根系中的轉(zhuǎn)錄水平遠(yuǎn)高于其在通粳981中的轉(zhuǎn)錄水平。所驗(yàn)證的赤霉素、生長素、植物磺肽素代謝和調(diào)控相關(guān)基因及細(xì)胞分裂素氧化酶基因在鎮(zhèn)稻99根系中轉(zhuǎn)錄水平遠(yuǎn)高于在通粳981中的轉(zhuǎn)錄水平。上述結(jié)果不僅驗(yàn)證了基因芯片檢測(cè)的準(zhǔn)確性，且為鎮(zhèn)稻99耐低磷根系形態(tài)重塑機(jī)制的闡明提供了線索。
　　4.鎮(zhèn)稻99根系耐低磷形態(tài)重塑的可能機(jī)制
　　綜上，作者認(rèn)為，在低磷脅迫下水稻耐低磷根系形態(tài)重塑機(jī)制復(fù)雜。在低磷脅迫下的鎮(zhèn)稻99根系中:
　　①

9、SCARECROW、 R2R3MYB和P-type R2R3 MYB基因表達(dá)的誘導(dǎo)，可能是鎮(zhèn)稻99初生根大幅加長的基因調(diào)控機(jī)制;TTG1、TT12、PHR和多個(gè)bHLH基因表達(dá)的的誘導(dǎo)，可能是鎮(zhèn)稻99根毛發(fā)生和伸長的關(guān)鍵原因;多個(gè)WRKY轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)的誘導(dǎo)，可能與鎮(zhèn)稻99側(cè)根的發(fā)生、發(fā)育相關(guān)。
　?、谪悮ど枷┖铣擅?A、貝殼杉烯氧化酶1和赤霉素3β-羥化酶基因表達(dá)的誘導(dǎo)，促進(jìn)鎮(zhèn)稻99根系中赤霉素的合成;萜烯合成酶和IAA-氨基

10、酸水解酶基因表達(dá)的誘導(dǎo)，能提高鎮(zhèn)稻99根系中游離生長素的含量;同時(shí)赤霉素和生長素應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白基因表達(dá)的誘導(dǎo)，表明赤霉素和生長素在鎮(zhèn)稻99耐低磷根系形態(tài)建成中起著重要作用。Phytosulfokine家族蛋白基因表達(dá)的誘導(dǎo)，表明Phytosulfokine在鎮(zhèn)稻99耐低磷根系形態(tài)建成中也發(fā)揮作用。
　?、鄱鄠€(gè)膨脹素基因的表達(dá)受到低磷脅迫的強(qiáng)烈誘導(dǎo)，表明，膨脹素在鎮(zhèn)稻99根細(xì)胞膨大中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
　　④漆酶、過氧化物酶、果膠合