水稻中的磷转运蛋白基因在异源表达系统中的功能分析

为了更好地研究植物在磷素吸收过程中的分子机制以及生物化学过程的变化,将水稻中分离得到的一个磷转运蛋白基因（OsPT6）用于互补实验。互补实验结果表明,OsPT6能够与缺失磷转运功能的酵母突变体实现互补,并在低磷条件下促进酵母突变体对磷的吸收。进一步分析表明OsPT6属于水稻Pht1家族运输蛋白基因,所编码的蛋白对磷酸盐（Pi）的吸收Km值为96 μmol/L,属于高亲和的磷转运蛋白。不同的酵母转化子对不同pH环境的响应实验显示,OsPT6是一个与质子相偶联的磷运输蛋白,其吸收磷素的最佳pH为6.0。对OsPT6在人的胚胎肾细胞（HEK293）中的表达分析表明,该基因能够编码蛋白并定位于细胞膜,证明OsPT6的功能与酵母磷转运子PHO84相似,是一个定位于细胞膜上的具有吸收转运磷素作用的运输蛋白。     

磷转运蛋白OsPT6在水稻武育粳7号苗期磷素吸收利用中的作用

磷转运蛋白OsPT6为水稻Pht1家族成员之一,具有吸收和转运磷酸盐双重功能。以水稻高产品种武育粳7号的OsPT6超表达转基因材料为试材,研究磷转运蛋白OsPT6在武育粳7号磷素吸收利用中的作用。结果表明:1)OsPT6在武育粳7号的地下部表达丰度较高,同时在地下部和地上部该基因均受缺磷诱导表达量显著增加。2)OsPT6超表达后,转基因植株生长良好。正常供磷和低磷处理35d后,OsPT6超表达植株地上部和地下部干物质量都显著增加。3)OsPT6超表达转基因材料在不同浓度磷素处理后,各组织全磷含量有所增加,其中营养器官尤为显著。     

水稻根系中磷高效吸收和利用相关基因表达对低磷胁迫的应答

研究水稻耐低磷机制,对高效利用土壤磷的水稻品种改良具有重要意义。应用基因芯片和qRT-PCR技术,分析了耐低磷水稻品种仪2434和低磷敏感品种通粳981根系中磷高效吸收和利用相关基因表达对低磷胁迫的应答。水稻叶片磷含量的测定结果表明,低磷胁迫下仪2434的叶片磷含量较对照降幅小,这表明仪2434较通粳981具有更强的磷素吸收利用能力。基因芯片检测结果表明,在低磷胁迫下的仪2434根系中,PHR1、osa-miR399s和SPXs基因的表达诱导、激活磷饥饿信号途径;APA、PAPs、MPE、PA、PEPC和VDAC1、C4-DT/MAT等基因的表达诱导,增强有机磷水解酶和有机酸的合成和分泌,促进介质中难溶性磷的活化;OsPT2、OsPT6基因的表达诱导,促进仪2434根系对磷的高效吸收。qRTPCR检测结果表明,仪2434根系中与磷饥饿信号转导、磷活化、磷高效吸收相关的8个代表性基因(PHR1、SPX、PAP、APA、PEPC、MFS、OsPT2、OsPT6)的表达水平均随低磷处理时间的延长呈逐步增高的趋势;经低磷处理后,所检测的8个基因在仪2434根系中的转录水平均显著高于其在通粳981根系中的转录水平,PHR1、APA、OsPT2在通粳981根系中的表达诱导作用不明显,且仪2434根系组织和根系分泌的酸性磷酸酶活性较通粳981增强更显著,这可能是仪2434较通粳981对低磷胁迫有较高耐性的主要机制之一。     

硫化氢提高水稻磷吸收转运的生理和分子机制

【目的】低磷胁迫是限制水稻产量的主要因素之一。水稻淹水条件下产生H2S，然而，H2S作为信号分子是否参与调节水稻响应缺磷胁迫还未可知。【方法】在正常磷和低磷条件下测定水稻H2S含量，揭示H2S在水稻响应缺磷胁迫中的作用。用2 μmol/L H2S前体物质NaHS预处理水稻1 d，然后在加磷和低磷条件下培养6 d，测定水稻体内总磷含量、酸性磷酸酶活性、抗氧化酶活性、木质部汁液磷含量、磷转运子基因表达以及根系构型变化，从而探究H2S参与调节水稻响应缺磷胁迫的生理和分子机制。【结论】低磷胁迫下，水稻根系和地上部H2S含量显著增加。NaHS预处理水稻显著增加低磷条件下水稻体内有效磷和总磷含量，提高根系酸性磷酸酶活性，提高抗氧化酶活性、木质部汁液磷含量和磷转运子基因表达水平，同时还改变水稻根系构型，增加总根长、总根表面积、总根体积和总根尖数，从而促进低磷条件下水稻对外界磷的吸收和转运，最终缓解缺磷胁迫。     

硫化氢提高水稻磷吸收转运的生理和分子机制

目的 低磷胁迫是限制水稻产量的主要因素之一。水稻淹水条件下产生H₂S,然而,H₂S作为信号分子是否参与调节水稻响应缺磷胁迫还未可知。方法 在正常磷和低磷条件下测定水稻H₂S含量,揭示H₂S在水稻响应缺磷胁迫中的作用。用2 μmol/L H₂S前体物质NaHS预处理水稻1 d,然后在加磷和低磷条件下培养6 d,测定水稻体内总磷含量、酸性磷酸酶活性、抗氧化酶活性、木质部汁液磷含量、磷转运子基因表达以及根系构型变化,从而探究H₂S参与调节水稻响应缺磷胁迫的生理和分子机制。结论 低磷胁迫下,水稻根系和地上部H₂S含量显著增加。NaHS预处理水稻显著增加低磷条件下水稻体内有效磷和总磷含量,提高根系酸性磷酸酶活性,提高抗氧化酶活性、木质部汁液磷含量和磷转运子基因表达水平,同时还改变水稻根系构型,增加总根长、总根表面积、总根体积和总根尖数,从而促进低磷条件下水稻对外界磷的吸收和转运,最终缓解缺磷胁迫。     

水稻转录因子基因OsPHR3在磷素利用过程中的作用

磷是植物体生长发育所必需的大量营养元素之一,广泛参与植物体多种生命活动。土壤中磷的有效性很低,是农业生产中限制作物产量的重要因素。OsPHR3(LOC_Os02g04640)属于MYB-CC家族,与水稻中磷信号途径中心调控因子OsPHR2是同源基因,且具有部分功能重叠。本研究利用转基因技术获得OsPHR3基因的突变体和超表达材料,通过水培实验、~(32)Pi同位素实验以及桶培实验来研究该基因在吸收利用磷素过程中的作用。水培实验表明,与野生型相比,突变体磷含量无明显差异,基因超表达能够提高水稻体内磷含量。~(32)Pi同位素实验显示,与野生型相比,缺磷时突变体吸收速率降低,而该基因超表达能够促进磷素的吸收与转运。桶培实验表明,该基因超表达能够增加水稻有效分蘖数,提高种子中磷含量,该基因缺失使得穗长变短。OsPHR3基因可能调控促进磷的吸收与向地上部转运。该研究将为以后分子育种提供依据。     

水杨酸通过一氧化氮途径调控水稻缓解低磷胁迫

【目的】深入剖析水杨酸调控水稻低磷胁迫响应的生理与分子机制具有重要意义。【方法】选取常规水稻品种日本晴,外源添加水杨酸后测定水稻体内总磷含量、酸性磷酸酶活性、木质部汁液磷含量、水稻根系特征参数、磷转运子基因表达水平和一氧化氮含量等指标解析水杨酸缓解水稻缺磷胁迫的生理和分子机制。【结果】1）水杨酸对水稻磷吸收的调控存在剂量效应,1 μmol/L水杨酸显著提高低磷条件下水稻体内总磷含量,5 μmol/L水杨酸则降低水稻体内总磷含量。2）低磷条件下,1 μmol/L水杨酸使酸性磷酸酶活性提高了11.35%,根系总长增加了20.90%,根系表面积增加11.86%,根系体积增加了15.38%,总根数增加了23.55%,木质部汁液中的磷含量提高了22.67%。同时,1 μmol/L水杨酸提高了水稻根系磷转运子基因的表达,从而提高水稻对外界磷的吸收和体内磷的转运。3）水杨酸通过提高硝酸还原酶的活性增加水稻根系的一氧化氮含量,从而通过调控磷转运子基因的表达提高低磷条件下水稻对外界磷的吸收。【结论】水杨酸与信号分子一氧化氮互作缓解低磷胁迫。     

磷酸盐转运蛋白OsPT4影响水稻氮磷积累与利用的机理研究

【目的】磷酸盐(Pi)转运蛋白OsPT4是水稻Pht1家族成员之一,负责Pi吸收以及向地上部的转运。探究OsPT4超表达对不同Pi条件下水稻氮(N)和磷(P)积累与利用的影响及其机理具有重要意义。【方法】以日本晴背景的OsPT4超表达株系为研究材料,通过设置正常供Pi与缺Pi的水培与桶培实验,检测生殖生长阶段不同组织中OsPT4的相对表达量,探究不同Pi处理条件下不同组织(叶片、叶鞘、茎秆、稻壳、穗柄和糙米)中的N和P浓度,并计算Pi吸收率及N和P利用效率,同时分析株高、单株产量、千粒重和结实率等产量构成因素。【结果】OsPT4在水稻生殖生长阶段的根系中相对表达丰度较高,OsPT4超表达使水稻剑叶、叶鞘、茎秆、稻壳、穗柄和糙米中的总P浓度不同程度提高,并显著提高了不同Pi处理条件下的Pi吸收与利用效率。同时,OsPT4的超表达可显著提高正常供Pi与缺Pi土壤条件下的单株产量与千粒重,以及缺Pi土壤中生长的结实率。除此之外,OsPT4的超表达使缺Pi条件下瘪壳与糙米中总N浓度平均升高16.8%和19.8%,N利用效率平均升高6.6%。【结论】OsPT4超表达不仅显著提高Pi吸收与利用效率,同时对不同Pi条件下的生理氮素利用率起促进作用。     

不同施氮肥处理对水稻植株吸磷量的影响

通过水稻田间小区试验,分析不同氮肥处理对水稻磷素吸收的影响。结果表明,氮肥施入量过高会影响水稻植株对磷肥的吸收利用。不同的氮肥施用比例及追施次数对水稻吸收磷素有影响,即随着氮肥的增加,磷肥的吸收量有所提高。缓释尿素控制了氮素的释放速度,有利于调节植株吸收磷素,并且间接地提高水稻植株对磷养分的吸收利用。     

超表达蔗糖转运蛋白基因OsSUT1对水稻形态和生理的影响

目的 磷对植物细胞内蔗糖和淀粉合成有重要影响,它们之间的关系还有许多方面有待阐明。方法 本研究利用转基因技术获得OsSUT1超表达材料,通过水培和盆栽实验研究了超表达该基因对蔗糖、磷含量以及植株形态和生理性状的影响。结果 转录水平上的表达分析显示,缺磷诱导OsSUT1在水稻根系中表达。水培实验显示,与野生型相比,正常供磷条件下OsSUT1超表达导致水稻植株地上部蔗糖含量下降,同时水稻植株内的磷含量升高;而在缺磷条件下植株体内蔗糖及磷含量均无显著变化。盆栽实验显示,超表达OsSUT1提高了水稻的分蘖数、有效分蘖数、磷含量、粒长和粒宽。结论 这些结果说明OsSUT1对水稻的蔗糖和磷含量以及种子的生长发育有重要作用。     

Polyphosphate Accelerates Transformation of Nonstructural Carbohydrates to Improve Growth of ppk-Expressing Transgenic Rice in Phosphorus Deficiency Culture

Crop yield and quality are often limited by the amount of phosphate fertilizer added to infertile soils, a key limiting factor for sustainable development in modern agriculture. The polyphosphate kinase(ppk) gene-expressing transgenic rice with a single-copy line(ETRS) is constructed to improve phosphate fertilizer utilization efficiency for phosphorus resource conservation. To investigate the potential mechanisms of the increased biomass in ETRS in low phosphate culture, ETRS was cultivated in ...     

NaCl Facilitates Cell Wall Phosphorus Reutilization in Abscisic Acid Dependent Manner in Phosphorus Deficient Rice Root

Phosphorus(P) starvation in rice facilitates the reutilization of root cell wall P by enhancing the pectin content. NaCl modulates pectin content, however, it is still unknown whether NaCl is also involved in the process of pectin regulated cell wall P remobilization in rice under P starved conditions. In this study, we found that 10 mmol/L NaCl increased the shoot and root biomasses under P deficiency to a remarkable extent, in company with the elevated shoot and root soluble P contents in rice...     

Effects of Phosphate Starvation Responses Gene OsSQD2.1 on Growth in Rice

【Objective】This work aims at confirming the effects of gene OsSQD2.1, involved in phosphate starvation responses on rice growth so as to reveal its function. 【Method】The bioinformatics method was used to determine the OsSQD2.1 gene and its protein structure and the cis-acting elements on the OsSQD2.1 promoter. The expression of OsSQD2.1 under different deficiency conditions was measured by real-time PCR. For an insight into the effects of OsSQD2.1 on the growth and photosynthesis of transgenic plants, we determined the phenotype, phosphorus content and net photosynthetic rate of DNA insertion mutants and silencing interfering materials at different growth stages. 【Result】The coding region of the OsSQD2.1 gene is 3548 bp in length and it is located on chromosome 1, with 11 exons and 10 introns. OsSQD2.1 belongs to the glycosyltransferase family; OsSQD2.1 promoter contains multiple reported cis-acting elements responsive to phosphorus deficiency; OsSQD2.1 was induced by phosphorus deficiency and inhibited by sulfur deficiency. Compared with the wild type, the shoot length and primary root length during the vegetative growth period in the mutant or silencing materials were significantly lower than the wild type. During the reproductive growth, the plant height as well as 1000-grain weight of the mutant or silencing material was significantly lower than that of wild type, and there was no significant difference in seed setting rate; The total phosphorus contents in the leaves were not significantly different in the wild type under the phosphorus deficiency condition. In addition, the net photosynthetic rate of the seedling and mature mutants was significantly lower than that of the wild type, and it was presumed that OsSQD2.1 affected the net photosynthetic rate of rice. 【Conclusion】The results confirm that OsSQD2.1 is phosphorus deficiency-responsive and affects rice growth.