植物缺鐵誘導(dǎo)乙烯合成機(jī)理及水稻鐵還原酶OsFRO1功能研究.pdf

1、鐵是植物生長發(fā)育所必需的微量元素。植物在長期進(jìn)化過程中形成了一套鐵吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，以應(yīng)對環(huán)境中可能出現(xiàn)的鐵缺乏或鐵中毒逆境。對于這套機(jī)制的研究及認(rèn)識，可以為培育鐵富集農(nóng)作物品種提供新的思路。
　　植物可根據(jù)鐵吸收和調(diào)控機(jī)理被分為機(jī)理Ⅰ和機(jī)理Ⅱ兩大類。機(jī)理Ⅰ植物包括雙子葉植物和非禾本科單子葉植物，它們通過鐵還原酶(FRO)將土壤中的Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)，而后通過Fe(Ⅱ)轉(zhuǎn)運(yùn)體吸收鐵。機(jī)理Ⅱ植物包括大部分的禾本科植物，它

2、們通過根系向土壤分泌鐵載體(PS)，直接螯合土壤中的Fe(Ⅲ)后對其進(jìn)行吸收。水稻是一種非典型的機(jī)制Ⅱ植物，在長期淹水的栽培條件下，水稻不僅能通過分泌鐵載體直接螯合吸收Fe(Ⅲ)，同時也具有Fe(Ⅱ)的轉(zhuǎn)運(yùn)體，可直接吸收淹水土壤中大量存在的Fe(Ⅱ)。因此，水稻又被認(rèn)為是一種混合機(jī)制植物。
　　乙烯作為調(diào)控植物生長發(fā)育和應(yīng)對逆境的重要激素，參與調(diào)控機(jī)理Ⅰ植物及水稻的缺鐵響應(yīng)過程。本研究以機(jī)理Ⅰ模式植物擬南芥和混合機(jī)理植物水稻為材料

3、，分析缺鐵引起的乙烯合成量變化，乙烯合成限速酶基因ACS表達(dá)變化，及絲裂原蛋白激酶MPK3/6對該過程的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵條件下，植物乙烯合成水平的提高是一個快速且持續(xù)時間較短的生理反應(yīng)過程。水稻和擬南芥在缺鐵條件下多個ACS基因在根和葉中的的表達(dá)水平會受到顯著誘導(dǎo)。其中水稻中僅有OsACS2在根和葉中的表達(dá)水平受到誘導(dǎo)，而擬南芥的AtACS2，AtACS6，AtACS7和AtACS11在根和葉中均有誘導(dǎo)表達(dá)，AtACS8僅在葉中受到

4、誘導(dǎo)，AtACS9則僅在根中受到誘導(dǎo)。水稻中OsACS2基因功能的缺失會引起正常生長過程中植株乙烯合成水平的降低，而并不影響缺鐵條件下植株誘導(dǎo)乙烯合成。與之不同的是，擬南芥中同源基因AtACS2功能的缺失會造成植株缺鐵誘導(dǎo)乙烯合成水平的下降。兩者共同之處在于他們的缺失都會造成植物中鐵相關(guān)基因表達(dá)量的下調(diào)。研究還進(jìn)一步對MPK3/6激酶在擬南芥缺鐵誘導(dǎo)乙烯合成過程中的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，MPK3/6在轉(zhuǎn)錄以及蛋白活性上均可受缺鐵

5、誘導(dǎo)。MPK3/6通過調(diào)節(jié)AtACS2的轉(zhuǎn)錄水平而對乙烯合成過程產(chǎn)生影響。MPK3和MPK6基因的缺失會造成植株乙烯合成量的下降，同時導(dǎo)致其缺鐵響應(yīng)基因誘導(dǎo)水平的下調(diào)以及植株根部鐵還原酶活性的降低。研究通過對mpk3和mpk6突變體的鐵含量檢測，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致其相較野生型缺鐵表型更為嚴(yán)重的原因是可溶性鐵的下降。
　　鐵還原酶(FRO)在機(jī)理Ⅰ植物的不同器官以及細(xì)胞內(nèi)部參與鐵吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)過程。水稻中也存在編碼該類蛋白的基因，但其功能并未得到

6、闡述。本研究克隆得到了水稻中的鐵還原酶OsFRO1的基因并對其功能做了初步研究。亞細(xì)胞定位顯示OsFRO1蛋白定位于細(xì)胞內(nèi)部的液泡膜上。同時OsFRO1的組織表達(dá)模式顯示其主要功能可能在水稻的地上部分。OsFRO1啟動子接GUS轉(zhuǎn)基因植株中的研究與定量PCR結(jié)果表明，OsFRO1在高鐵處理條件下葉片中的表達(dá)受到強(qiáng)烈抑制。通過對OsFRO1超表達(dá)及干涉植株進(jìn)行的表型研究發(fā)現(xiàn)，超表達(dá)植株在高鐵條件下表現(xiàn)出超敏反應(yīng)而干涉植株表現(xiàn)出一定的耐鐵毒