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。     

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。     

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。     

缺磷条件下蔗糖对水稻磷素吸收利用起重要作用

 研究了水稻缺磷条件下蔗糖对其生长、磷素吸收利用的影响。结果表明,外加蔗糖可以提高水稻缺磷条件下的生物量,可以促进水稻缺磷条件下的磷素吸收;利用磷转运蛋白基因OsPT2启动子+ GUS报告基因转基因水稻材料,进一步探讨了蔗糖在水稻缺磷条件下促进磷素吸收利用的分子机理。结果表明,水稻磷转运蛋白OsPT2参与了蔗糖促进缺磷水稻的磷素吸收与转运。     

水稻SUMO化E3连接酶SIZ1调控缺磷条件下根的发育和根构型形成

植物应对磷胁迫的方法之一是改变根系的构型。以水稻SUMO化E3连接酶SIZ1突变体ossiz1为供试材料,研究了OsSIZ1在水稻根发育中的作用以及其与磷胁迫、生长素之间的关系。与野生型相比,OsSIZ1抑制ossiz1种子根和不定根的伸长,促进侧根密度的增加和根毛的增多。缺磷时,突变体ossiz1的反应更强烈,即不定根伸长、侧根密度增大和根毛增多的趋势更加明显。说明OsSIZ1参与调控水稻根构型的改变,低磷时效果更明显。ossiz1地上部和地下部的总磷浓度显著高于野生型,说明OsSIZ1在水稻中负调控磷素的吸收利用。定量RT-PCR结果显示,ossiz1中OsYUCCA1和OsPIN1a/1b的相对表达量显著高于野生型,说明OsSIZ1负调控根中生长素的合成与极性运输,并且缺磷时负调控作用减弱。结果表明,SUMO化E3连接酶OsSIZ1调控缺磷条件下根构型的形成,而且这一过程可能是通过调控生长素分布完成的。     

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。     

大麦阶段性低温诱导白化突变体的转录组分析

叶色突变体是研究叶绿素代谢、叶绿体发育和光合作用的重要材料。本研究从大麦鄂啤2号(野生型)⁷Li离子突变体库中筛选获得一份大麦阶段性低温诱导白化突变体(SLTW),该突变体受低温诱导后,于五叶期叶片开始出现白化现象,温度升高后于拔节期逐步恢复为绿色。与野生型相比,该突变体叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均显著下降。SLTW突变体与野生型的转录组比较分析表明,差异表达基因显著富集到类胡萝卜素合成、四吡咯结合、血红素结合、铁结合、氧化还原过程、光合作用等通路上。叶绿素合成基因(ID号为HORVU.MOREX.r2.2HG0174230)和类胡萝卜素代谢基因(ID号为HORVU.MOREX.r2.5HG0354290)在SLTW突变体与野生型中的表达量均差异显著,且均检测到SNP突变,推测这些基因可能与大麦阶段性白化有关。编码光合作用-天线蛋白、细胞色素P450、跨膜转运(ABC转运)蛋白及转录因子也可能是调控大麦阶段性白化的潜在候选基因。     

水稻转录因子基因OsSHR2的表达特征及其在营养生长中的调控作用

【目的】水稻OsSHR2(LOC_Os03g31880)基因为拟南芥AtSHR的同源基因,与OsSHR1、OsSCR1和OsSCR2 同属于水稻GRAS转录因子家族。已有研究报道,转录因子基因SHR和SCR共同调控植物根系、叶片的发育,并参与各项生命活动。本研究旨在阐明OsSHR2在水稻中的时空表达特征及其在营养生长中的调控作用。【方法】通过生物信息学分析、表达模式分析、萌发动力学分析和水培实验验证该基因的功能。【结果】生物信息学分析发现OsSHR2、OsSHR1、OsSCR1和OsSCR2与拟南芥和其他物种的SHR亚家族和SCR亚家族成员具有很高的序列一致性;表达模式和pOsSHR2::GUS材料染色分析发现,OsSHR2在整个生长发育过程中的根系、叶片、维管组织和生殖器官中表达强烈,并集中在根尖的中柱、侧根原基和叶片及茎维管组织的中心表达,在野生型的地上部和根系中,OsSHR2受缺磷影响下调表达;对获得的OsSHR2的CRISPR-Cas9突变体osshr2进行种子萌发实验和水培实验,发现与野生型相比,osshr2的萌发时间延后,萌发率降低,在正常供磷和缺磷处理下,osshr2的地上部和根系长度显著小于野生型。【结论】OsSHR2在地上部和根系的发育、维管组织形成以及营养与生殖生长中具有重要作用,这为今后OsSHR2在分子育种等领域的应用奠定理论基础。     

水稻苗期低温白叶突变体cde2的鉴定和基因定位

从粳稻品种Asominori的组培后代中发现了一个温度敏感的叶绿素缺乏突变体。低温(23℃)条件下该突变体幼苗3叶期前表现为白化表型随后致死,但在正常温度条件下与野生型无明显差异(30℃)。与野生型相比,该突变体幼苗低温条件下叶绿素含量明显下降,叶绿体结构发育异常。遗传分析结果表明,该突变体受一对隐性核基因控制,定名为cde2(chlorophyll deficient 2)基因。从cde2与籼稻品种培矮64衍生的F2群体中挑选1064株表现为突变表型的单株进行基因定位,将该基因初步定位于水稻第1染色体的着丝粒附近,随后利用已有的SSR标记和自行开发的Indel标记,进一步将该基因定位在标记RM11041和Indel1之间,物理距离为365.6kb。此外,对该突变体叶绿素合成、光合作用以及质体转录/翻译系统相关基因的表达量测定表明,CDE2突变后增加了与叶绿素合成和质体转录/翻译相关基因的表达,但降低了光合作用相关基因的表达。结果表明,CDE2在水稻叶绿素合成以及叶绿体的发育过程中起着重要的作用。     

低磷条件下过表达OsPHF1基因对粳稻农艺性状的影响

【目的】 磷酸盐转运体运输协助因子(PHF1)通过转录后调节特定磷转运蛋白,影响磷酸盐的利用效率。本研究通过培育过表达OsPHF1的无选择标记转基因粳稻空育131,研究在不同磷浓度环境中OsPHF1的过表达对粳稻空育131产量的影响,为培育可商品化的磷高效转基因水稻品种提供依据。方法 利用双T-DNA方法构建OsPHF1的过表达载体,通过农杆菌侵染法和后续筛选获得了无选择标记的转基因空育131纯合株系,通过对T₃和T₄代转基因植株的田间试验,研究转基因品系在低磷浓度(75或112.5 kg/hm²过磷酸钙)、中低磷浓度(225或300 kg/hm²过磷酸钙)和正常磷浓度(450 kg/hm²过磷酸钙)下的农艺性状。结果 获得了3个无筛选标记的纯合OsPHF1过表达转基因空育131株系F18-18、F22-32和F25-6。其中,F22-32和F25-6的OsPHF1的表达量远高于野生型。大田试验显示,F22-32和F25-6株系的T₃代在中低磷(300 kg/hm²过磷酸钙)环境中,分蘖数比对照分别增加了55%和25%,增产幅度分别为38%和34%;F22-32和F25-6株系T₄代在低磷条件下(112.5 kg/hm²过磷酸钙)产量的增幅最大,增产了30%~35%;在中低磷条件下(225 kg/hm²过磷酸钙)分蘖数和产量也有明显增加。结论 双T-DNA法能用于培育过表达OsPHF1的无筛选标记转基因水稻。田间试验显示,高表达OsPHF1的转基因株系在中低磷条件下(112.5、225或300 kg/hm²过磷酸钙)分蘖数和产量稳定增加。     

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 ...     

Transgenic Expression of the Recombinant Phytase in Rice （Oryza sativa）

In many plants, phytic acid (phytate, 1, 2, 3, 4, 5, 6-hexakisphosphate) is one of the main storage forms of phosphate. About 80% of phosphorus (P) in cereal plants, including rice is stored as phytic acid [1-2]. P in phytic acid can’t be utilized by monogastric animals including human, while it was estimated that only 1/3 of the total P in most of the vegetal feedstuff could be efficiently utilized by the livestock. Therefore, for animal feed with P supplementation is expected to meet the d…     

OsPHR2对小麦酸性磷酸化酶活性和根系土壤有机酸含量的影响

为了明确水稻低磷胁迫转录因子OsPHR2对小麦酸性磷酸化酶活性、根系土壤有机酸含量和根系活力的影响，以转OsPHR2小麦纯合株系和受体对照为试验材料，在不施磷（低磷）、施易溶性磷（0.200 g·kg^-1，KH₂PO₄为磷源）和施难溶性磷（0.200 g·kg^-1，以AlPO₄为磷源）3个处理下开展转OsPHR2小麦酸性磷酸化酶活性、根际土壤有机酸含量和根系活力的研究。结果表明，拔节期、抽穗期和灌浆期，在低磷和施AlPO₄处理下2个转OsPHR2小麦株系旗叶和根部酸性磷酸化酶活性均显著高于受体对照；施KH₂PO₄处理下，2个转基因株系旗叶酸性磷酸化酶活性在抽穗期和灌浆期均显著高于对照，根部在抽穗期显著高于对照，其他时期差异均不显著。随着小麦生育进程，小麦根际土壤草酰乙酸、草酸、乙酸、丙二酸和柠檬酸等有机酸含量逐渐增加。拔节期和抽穗期，在低磷、施AlPO₄和施KH₂PO₄处理下转基因系OsT5-28根际土壤五种有机酸含量均显著高于对照。转基因小麦根际土壤有机酸含量较对照的提高幅度在拔节期或抽穗期较大。三种处理下转基因系OsT5-28根系TTC还原力在三个时期均显著高于对照。这说明低磷胁迫下OsPHR2可提高小麦酸性磷酸化酶活性和根系活力，促进根系有机酸的分泌，增加分泌量，从而提高小麦磷素吸收效率。     

利用CRISPR/Cas9系统定向改良水稻稻瘟病抗性

【目的】CRISPR/Cas9基因编辑技术是作物遗传改良的有效工具。本研究通过对水稻Pita、Pi21和ERF922稻瘟病相关基因进行定点编辑，以期获得能够稳定遗传的抗稻瘟病水稻材料。【方法】利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，以Pita、Pi21和ERF922为靶基因，构建共编辑载体pC1300-2×35S::Cas9-gPita-gPi21-gERF922 ，用农杆菌转化长粒粳稻恢复系L1014，筛选获得稳定遗传的纯合突变体用于稻瘟病抗性鉴定。【结果】在T0代转基因株系中，Pita、Pi21和ERF922突变频率分别为75%、85%和65%，突变基因型多为双等位突变。筛选到的不含T-DNA成分的T1代能够稳定遗传给T2代，并从中获得Pi21单突变纯合株系及Pita、Pi21和ERF922的三突变纯合株系。稻瘟病抗性鉴定结果表明，与野生型相比，突变株系的抗性显著提高。同时，接种后纯合突变体株系内水杨酸、茉莉酸和乙烯等信号转导途径相关基因的表达量均上调。据此，我们推测纯合突变株系对稻瘟病的抗性增强可能与其对稻瘟病菌的响应被激活有关。【结论】利用CRISPR/Cas9技术获得了能够稳定遗传和具有较高稻瘟病抗性的纯合突变株系，为水稻稻瘟病抗性改良提供了良好的材料。     

利用CRISPR/Cas9系统定向改良水稻稻瘟病抗性

[目的]CRISPR/Cas9 基因编辑技术是作物遗传改良的有效工具。本研究通过对水稻Pita、Pi21和ERF922稻瘟病相关基因进行定点编辑,以期获得能够稳定遗传的抗稻瘟病水稻材料。[方法]利用 CRISPR/Cas9基因编辑技术,以 Pita、Pi21 和 ERF922 为靶基因,构建共编辑载体 pC1300-2×35S::Cas9-g^Pita-g^Pi21-g^ERF922 ,用农杆菌转化长粒粳稻恢复系L1014,筛选获得稳定遗传的纯合突变体用于稻瘟病抗性鉴定。[结果]在T0代转基因株系中,Pita、Pi21和ERF922 突变频率分别为 75%、85%和 65%,突变基因型多为双等位突变。筛选到的不含 T-DNA成分的T1代能够稳定遗传给T2代,并从中获得 Pi21单突变纯合株系及Pita、Pi21和ERF922的三突变纯合株系。稻瘟病抗性鉴定结果表明,与野生型相比,突变株系的抗性显著提高。同时,接种后纯合突变体株系内水杨酸、茉莉酸和乙烯等信号转导途径相关基因的表达量均上调。据此,我们推测纯合突变株系对稻瘟病的抗性增强可能与其对稻瘟病菌的响应被激活有关。[结论]利用 CRISPR/Cas9 技术获得了能够稳定遗传和具有较高稻瘟病抗性的纯合突变株系,为水稻稻瘟病抗性改良提供了良好的材料。     

利用CRISPR/Cas9技术敲除水稻Pi21基因的效率分析

利用CRISPR/Cas9技术,针对Pi21基因的两个靶位点(靶位1和靶位2),构建基因敲除载体,转化水稻品种南粳9108。经PCR鉴定,获得了28株T0代阳性转基因植株。对靶位点酶切检测发现,靶位1突变效率为78.57%,靶位2突变效率为92.86%;靶位1和靶位2同时突变的效率为78.57%,突变效率较高。通过对靶位点进行测序,发现靶位点突变类型较多,包括碱基缺失、碱基插入、碱基缺失后插入其他碱基和大片段DNA缺失等类型。对突变株系进行氨基酸预测,发现大部分株系都存在移码突变现象而使基因突变彻底,少数株系表现为部分氨基酸的缺失或变异。成功敲除了水稻Pi21基因,并对突变效率和类型进行了分析,为进一步验证Pi21基因功能、培育广谱抗稻瘟病的水稻新品系奠定了基础。     

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.