植物缺鐵誘導乙烯合成機理及水稻鐵還原酶OsFRO1功能研究.pdf

1、鐵是植物生長發(fā)育所必需的微量元素。植物在長期進化過程中形成了一套鐵吸收及轉運的調(diào)控機制，以應對環(huán)境中可能出現(xiàn)的鐵缺乏或鐵中毒逆境。對于這套機制的研究及認識，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)控機理被分為機理Ⅰ和機理Ⅱ兩大類。機理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)轉運體吸收鐵。機理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)后對其進行吸收。水稻是一種非典型的機制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)的轉運體，可直接吸收淹水土壤中大量存在的Fe(Ⅱ)。因此，水稻又被認為是一種混合機制植物。
　　乙烯作為調(diào)控植物生長發(fā)育和應對逆境的重要激素，參與調(diào)控機理Ⅰ植物及水稻的缺鐵響應過程。本研究以機理Ⅰ模式植物擬南芥和混合機理植物水稻為材料

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水平會受到顯著誘導。其中水稻中僅有OsACS2在根和葉中的表達水平受到誘導，而擬南芥的AtACS2，AtACS6，AtACS7和AtACS11在根和葉中均有誘導表達，AtACS8僅在葉中受到

4、誘導，AtACS9則僅在根中受到誘導。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基因表達量的下調(diào)。研究還進一步對MPK3/6激酶在擬南芥缺鐵誘導乙烯合成過程中的調(diào)控機制進行了探討。結果表明，MPK3/6在轉錄以及蛋白活性上均可受缺鐵

5、誘導。MPK3/6通過調(diào)節(jié)AtACS2的轉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，同時導致其缺鐵響應基因誘導水平的下調(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)導致其相較野生型缺鐵表型更為嚴重的原因是可溶性鐵的下降。
　　鐵還原酶(FRO)在機理Ⅰ植物的不同器官以及細胞內(nèi)部參與鐵吸收及轉運過程。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。亞細胞定位顯示OsFRO1蛋白定位于細胞內(nèi)部的液泡膜上。同時OsFRO1的組織表達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轉基因植株中的研究與定量PCR結果表明，OsFRO1在高鐵處理條件下葉片中的表達受到強烈抑制。通過對OsFRO1超表達及干涉植株進行的表型研究發(fā)現(xiàn)，超表達植株在高鐵條件下表現(xiàn)出超敏反應而干涉植株表現(xiàn)出一定的耐鐵毒