玉米ZIPs在鋅鐵吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)中的功能研究.pdf

1、鋅和鐵是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)的許多生化反應(yīng)中充當(dāng)重要的角色。因此，為吸收足夠的鋅鐵，又避免過(guò)量吸收造成的毒害，植物進(jìn)化形成完整的吸收、利用和儲(chǔ)存系統(tǒng)以保持體內(nèi)鋅鐵的平衡。鋅鐵調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)體ZIP（Zinc-regulated transporters，Iron-regulated transporter-like proteins）對(duì)于鋅鐵的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及體內(nèi)平衡的調(diào)節(jié)有重要作用。因此，本論文對(duì)玉米（Zea mays

2、L.）ZIPs基因家族成員的表達(dá)譜、亞細(xì)胞定位及功能進(jìn)行了深入分析。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法得到了轉(zhuǎn)基因擬南芥及玉米，為研究ZmZIPs對(duì)轉(zhuǎn)基因擬南芥及玉米中鋅鐵的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及體內(nèi)平衡的影響，對(duì)轉(zhuǎn)基因擬南芥及玉米進(jìn)行了基因表達(dá)及表型的分析。主要研究結(jié)果如下:
　　1、為對(duì)ZmZIPs基因功能的研究做鋪墊，對(duì)ZmZIPs在玉米中的表達(dá)模式及其亞細(xì)胞定位進(jìn)行了分析。Real-time RT-PCR檢測(cè)顯示ZmIRT1(Iron-regul

3、ated transporter-like proteins in Zea mays，ZmIRT)主要在玉米的花絲與胚中表達(dá)，并且原位雜交實(shí)驗(yàn)證明ZmIRT1主要在根與莖的分生組織表達(dá);ZmZIP3(Zinc-regulated transporters，Iron-regulated transporter-like proteins Zea mays，ZmZIP)主要在玉米葉片中表達(dá);ZmZIP4主要在雄穗中表達(dá);而ZmZIP7在根、

4、莖、葉及種子中的表達(dá)量較雄穗及幼嫩的雌穗高。ZmIRT1、ZmZIP3、ZmZIP4與ZmZIP7均定位于質(zhì)膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。根據(jù)ZmZIPs基因的表達(dá)部位不同，推測(cè)其在玉米吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)鋅鐵過(guò)程中可能具有不同的作用。
　　2、為初步研究ZmZIPs的功能，利用過(guò)表達(dá)擬南芥對(duì)ZmIRT1、ZmZIP3與ZmZIP7三個(gè)基因的鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)活性進(jìn)行了研究，并對(duì)參與鋅鐵吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及儲(chǔ)存基因的表達(dá)進(jìn)行了分析。通過(guò)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜ICP-OE

5、S(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy)法對(duì)轉(zhuǎn)基因擬南芥各個(gè)組織進(jìn)行了鋅鐵含量的測(cè)定，并對(duì)根及莖葉用Zinpyr-1染料進(jìn)行了鋅的染色。結(jié)果顯示，鋅鐵的含量在ZmIRT1過(guò)表達(dá)擬南芥的根與種子中明顯升高，而在莖葉中的積累降低;在ZmZIP3過(guò)表達(dá)擬南芥根中鋅的含量升高，而莖葉中鋅的含量降低;在ZmZIP7過(guò)表達(dá)植株根與莖葉中鋅鐵的含量均升高，而只有鐵的含量在籽粒

6、升高。此外，轉(zhuǎn)基因植株與野生型植株相比能耐受各種鋅鐵條件。表明ZmIRT1、ZmZIP3與ZmZIP7具有在植物中吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鋅鐵的功能，并且具有不同的離子選擇性。此外，參與鋅鐵吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)結(jié)果顯示，ZmIRT1激活了金屬吸收相關(guān)基因的表達(dá)，而抑制了參與細(xì)胞內(nèi)外轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá);ZmZIP3抑制了除NAS1以外的其它參與鋅鐵吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)以及細(xì)胞內(nèi)外轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá);ZmZIP7激活了缺鐵誘導(dǎo)以及負(fù)責(zé)鋅鐵吸收、儲(chǔ)存基因的表達(dá)。說(shuō)明異位過(guò)

7、表達(dá)ZmIRT1與ZmZIP7可能激活了擬南芥內(nèi)源鐵的吸收機(jī)制，促進(jìn)了金屬的吸收及體內(nèi)平衡。
　　3、為研究ZmIRT1與ZmZIP4在玉米中的作用，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法得到了過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因玉米，對(duì)ZmIRT1與ZmZIP4在玉米中的表達(dá)量以及轉(zhuǎn)基因玉米中鋅鐵的含量進(jìn)行了測(cè)定。表達(dá)結(jié)果顯示，ZmZIP4在轉(zhuǎn)基因植株根與莖葉的表達(dá)量均升高，在根中比野生型植株升高400倍，并且ZmZIP4在轉(zhuǎn)基因植株胚與胚乳中的表達(dá)量均比野生型升高。鋅

8、鐵含量測(cè)定結(jié)果顯示，過(guò)表達(dá)ZmZIP轉(zhuǎn)基因植株根中鐵的含量比野生型增加一倍，并且鐵在籽粒中的含量增加23.3％;鋅在轉(zhuǎn)基因籽粒中的含量比野生型增加19.9％。由此推測(cè)ZmZIP4可能將更多的鋅鐵吸收至根進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒中。農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果顯示，過(guò)表達(dá)ZmZIP4玉米籽粒的百粒重比野生型增加13.9％，其它性狀均無(wú)明顯變化。推測(cè)可能是由于ZmZIP4的過(guò)表達(dá)增加了植株中的鋅鐵含量促進(jìn)了玉米的代謝進(jìn)而影響了籽粒的重量。此外，ZmIRT1在過(guò)表

9、達(dá)玉米胚與胚乳中的表達(dá)量均比野生型升高，相應(yīng)的ZmIRT1過(guò)表達(dá)玉米籽粒的鋅鐵含量也升高，說(shuō)明過(guò)表達(dá)ZmIRT1能夠增加玉米籽粒的鋅鐵含量。
　　以上結(jié)果表明，ZmIRT1、ZmZIP3、ZmZIP4與ZmZIP7在植物體內(nèi)具有鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)活性，并且具有不同的離子選擇性;ZmZIPs在吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及保持體內(nèi)鋅鐵平衡中可能具有不同的作用;結(jié)合表達(dá)結(jié)果推測(cè)ZmIRT1與ZmZIP7具有將鋅鐵吸收至根及在籽粒積累鋅鐵的功能;ZmZIP3可能在