水稻OsSPX家族基因OsSPX1和OsSPX3在磷信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的功能研究.pdf

1、磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素。雖然土壤中的總磷含量很豐富，但是可利用磷非常低，因而磷成為限制作物產(chǎn)量的重要因素之一。對(duì)植物磷饑餓響應(yīng)基因的功能研究將有助于人們更好地了解磷饑餓信號(hào)傳導(dǎo)途徑的分子機(jī)理，對(duì)磷高效吸收和利用優(yōu)良作物品種的培育，提高糧食產(chǎn)量意義重大。
　　 含SPX（SYG1/Pho81/XPR1）結(jié)構(gòu)域的蛋白在真核生物中廣泛存在，但目前為止研究不多。酵母中報(bào)道SPX蛋白Pho81很可能與磷信號(hào)途徑有關(guān)。通過(guò)對(duì)已知的

2、SPX結(jié)構(gòu)域序列和水稻蛋白組數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，我們?cè)谒局邪l(fā)現(xiàn)有5個(gè)只編碼含有SPX結(jié)構(gòu)域蛋白的基因。根據(jù)SPX結(jié)構(gòu)域的保守性由高到低，我們依次將其命名為OsSPX1~5。本研究主要對(duì)其中的兩個(gè)基因OsSPX1(Os06g40120)和OsSPX3（Os10g25310）進(jìn)行了生物信息學(xué)及基因功能的研究。
　　 系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)表明，OsSPX1與AtSPX1在進(jìn)化上親緣關(guān)系較近，OsSPX3與AtSPX3同源性較高，AtSPX1和At

3、SPX3是已知的擬南芥中參與磷信號(hào)傳導(dǎo)途徑的SPX基因。OsSPX1和OsSPX3都帶有3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子，且只含有一個(gè)SPX保守結(jié)構(gòu)域。OsSPX1基因本底表達(dá)水平很低，主要在磷饑餓條件下的水稻根部被強(qiáng)烈誘導(dǎo)表達(dá)。OsSPX1的超表達(dá)（OsSPXl-Oe）和干涉（OsSPXl-Ri）轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)矮小，地上部和根部生物量相比野生型(WT)顯著減少。在正常供磷條件下，OsSPXl-Ri材料老葉中有枯死斑，而缺磷條件下沒(méi)有類似的表型；

4、OsSPXl-Ri材料葉片中的無(wú)機(jī)磷(Pi)含量相比WT約上調(diào)了1～2倍，且老葉中磷含量遠(yuǎn)高于新葉，表明OsSPXl-Ri老葉的枯死病斑是由于Pi超積累引起的磷毒害癥狀。
　　 為進(jìn)一步研究OsSPX1基因?qū)λ倔w內(nèi)磷平衡的影響，我們跟蹤檢測(cè)了不同生長(zhǎng)時(shí)段和不同葉片間的磷含量，結(jié)果顯示OsSPX1-Ri材料不同葉片包括新葉中的磷含量都顯著多于WT，而OsSPX1-Oe嫩葉中的磷含量不及WT。該結(jié)果表明OsSPXl基因可能參與抑制

5、水稻根部對(duì)磷的吸收，或者水稻體內(nèi)磷由根部至地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。
　　 通過(guò)定量RT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，OsPHR2超表達(dá)轉(zhuǎn)基因材料和Ospho2突變體中OsSPX1基因的表達(dá)都受到顯著上調(diào)，這表明OsSPX1在磷信號(hào)通路上位于水稻中核心轉(zhuǎn)錄因子OsPHR2和泛素化降解途徑E2結(jié)合酶OsPH02的下游。另外，包括OslPS1和OslPS2在內(nèi)的10個(gè)磷饑餓響應(yīng)基因的表達(dá)在缺磷培養(yǎng)條件下的OsSPX1-Oe轉(zhuǎn)基因材料中都受到顯著抑制，暗

6、示OsSPX1是磷信號(hào)傳導(dǎo)途徑的抑制子。其中，兩個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPT2和OsPT8的表達(dá)在正常供磷培養(yǎng)條件下的OsSPX1-Oe中就受到顯著抑制，相反OsSPX1-Pi材料中這兩個(gè)基因的表達(dá)顯著高于WT，進(jìn)一步暗示OsSPX1-Ri中磷的超積累很可能是由這兩個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體基因的上調(diào)表達(dá)引起的。
　　 由于砷酸鹽和磷酸鹽的吸收共享磷轉(zhuǎn)運(yùn)體，結(jié)合上述OsSPX1抑制磷轉(zhuǎn)運(yùn)體基因表達(dá)的研究結(jié)果，我們初步開(kāi)展了OsSPX1基因與砷吸收的關(guān)系研

7、究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，OsSPX1-Oe材料中積累的砷含量顯著少于WT，而OsSPX1-Ri材料與此相反，這再一次驗(yàn)證OsSPX1的異常表達(dá)對(duì)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體的影響，同時(shí)預(yù)示該基因在未來(lái)抗砷酸水稻品種的培育中可能具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　 此外，我們還對(duì)OsSPX3基因的功能進(jìn)行了初步的研究。結(jié)果顯示，超表達(dá)OsSPX3和超表達(dá)OsSPX1對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生類似的影響，即生長(zhǎng)受到顯著抑制，并且葉片中的磷積累相比WT少。說(shuō)明OsSPX3的超表達(dá)也打破

8、了植物體內(nèi)的磷平衡，OsSPX3很可能同OsSPX1一樣，參與水稻中的磷信號(hào)傳導(dǎo)途徑。通過(guò)定量RT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，OsSPX3同樣參與水稻中以O(shè)sPHR2為中心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，受到OsPHR2的誘導(dǎo)調(diào)控和OsPH02的抑制調(diào)控，并且OsSPX3超表達(dá)材料中OsSPX1和OsPT2基因的表達(dá)受到顯著抑制，暗示OsSPX3和OsSPX1很可能有互作，而OsPT2的下調(diào)表達(dá)很可能是導(dǎo)致OsSPX3超表達(dá)材料葉片中磷積累降低的主要原因。