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。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、個不同基因型水稻品種中篩選出對磷素利用效率不同的代表性水稻品種，進(jìn)而應(yīng)用基因芯片和實時熒光定量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40個不同水稻品種進(jìn)行全生育期培養(yǎng)液培養(yǎng)，通過對性狀的考察和分析，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)磷含量均較對照顯著降低，多數(shù)品種的株高也較對照略有下降，其中以分蘗數(shù)、穗數(shù)對低磷脅迫最為敏感，且降幅最高，而極大多數(shù)品種的根長較對照大幅增高。進(jìn)而根據(jù)對穗數(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），根系形態(tài)重塑應(yīng)答基因型（鎮(zhèn)稻99、華瑞稻1號），低磷敏感基因型（通粳981、儀粳2490）。并

4、通過體內(nèi)磷含量測定和根系掃描結(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.基因芯片檢測到水稻根系中對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多個水稻基因中，鎮(zhèn)稻99根系對低磷脅迫的有效差異表達(dá)(ratio值≥2或≤0.5)基因共有1875個，其中上調(diào)基因924個，下調(diào)基因9

5、51個。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）、轉(zhuǎn)錄及生長調(diào)控相關(guān)基因（16個）、根冠蛋白基因（7個）、根系細(xì)胞壁物質(zhì)合成和代謝相關(guān)基因（12個）、細(xì)胞膨脹素基因（12個）、激素代謝與激素信號途徑相關(guān)基因（16個）。
　　3.低磷脅迫誘導(dǎo)表達(dá)基因的qRT-PCR驗證
　　進(jìn)一步采用實時熒光定量PCR技術(shù)，對鎮(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)行了驗證。結(jié)果表明，在鎮(zhèn)稻99根系中，所選擇驗證的5個根系形態(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。所驗證的7個轉(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。所驗證的3個根冠蛋白基因在經(jīng)低磷處理的兩個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。所驗證的6個根系細(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)。所驗證的5個細(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)果不僅驗證了基因芯片檢測的準(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:
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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)。
　　②貝殼杉烯合成酶1A、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€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。
　?、芷崦浮⑦^氧化物酶、果膠合