植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化途径研究进展

磷是构成许多关键性大分子的重要底物，在植物体内许多生理生化反应中都发挥着重要作用，磷供应不足会极大地限制作物的产量和品质。在漫长的进化过程中，植物形成了一系列适应低磷胁迫的机制，其中，蛋白质水平的泛素化修饰对植物响应低磷胁迫起重要作用。泛素化修饰可以改变靶蛋白的活性、稳定性及其在亚细胞的定位等。对关键蛋白的泛素化修饰在植物低磷胁迫响应中的调控功能和机制进行归类总结，综述植物蛋白质泛素化途径调控低磷胁迫的研究进展。蛋白质泛素化修饰研究主要从泛素、酶和靶蛋白3个组分方面进行。泛素由76个氨基酸组成，并以逐步共轭级联的方式与靶蛋白相连，形成泛素–蛋白质复合体，该复合体被运输至26S蛋白酶体内消化与降解，从而调控众多生理过程。蛋白质泛素化修饰通过改变根系形态构型，影响磷转运子和转录因子的活性和定位，从而促进或抑制植物对土壤磷的吸收以及向地上部的运输，进而调节磷稳态。最后，提出了对植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化需要进行的研究。     

大豆响应低磷胁迫的XTH基因鉴定及XTH38调节根系生长研究

  【目的】  鉴定大豆木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶 (xyloglucan endotransglycosylases/hydrolases, XTHs) 基因家族,分析其表达模式和对低磷养分胁迫的响应,初步明确大豆XTH38调节根系生长的功能。  【方法】  供试大豆品种为粤春03-3 (YC03-3),拟南芥野生型为哥伦比亚 (Columbia-0,Col-0) 生态型。通过生物信息学方法,鉴定了大豆XTH基因家族成员,并对大豆的XTH家族成员进行进化分析。采用水培方法,设定高磷对照(HP,KH₂PO₄ 500 μmol/L)和低磷处理(LP,KH₂PO₄ 25 μmol/L)营养液培养,将大豆幼苗处理14天后,取大豆幼苗的根和叶,使用定量PCR分析幼苗中5个GmXTHs的表达;将在1/2 MS固体培养基上发芽2天的超表达GmXTH38株系和Col-0分别接种到HP、LP、低铁 (LFe,Fe 0 μmol/L)、中铁(MFe,Fe 50 μmol/L)和高铁 (HFe,Fe 500 μmol/L)固体培养基上,7天后测定GmXTH38株系的侧根长度和密度。  【结果】  通过生物信息学分析,确定了大豆XTH基因家族共有61个成员,分为3个不同亚组,其中GmXTH38与AtXTH9、AtXTH23位于同一亚组。定量PCR分析结果表明,GmXTH基因家族成员在大豆器官或组织的表达模式不同,其中GmXTH28、GmXTH38、GmXTH41和GmXTH52受LP诱导表达,特别是GmXTH38在大豆根和叶中的表达均受LP诱导。与大豆一致,LP条件下GmXTH38启动子在拟南芥幼苗根、叶的活动强于HP处理。在高磷和中铁(植物正常生长养分需求量)条件下,拟南芥异源超表达GmXTH38抑制拟南芥主根生长、侧根数目和侧根密度。在LP、LFe和HFe胁迫下,与Col-0相比,超表达GmXTH38拟南芥材料主根变短、侧根数和侧根密度减少;超表达GmXTH38导致Col-0侧根形成对LP的敏感性增加;超表达GmXTH38导致Col-0侧根密度在LFe或HFe胁迫条件下下降程度更明显,超表达GmXTH38增加拟南芥主根生长对LFe或HFe的敏感性。  【结论】  大豆基因组存在61个XTH成员,分别为GmXTH1~GmXTH61。GmXTH38在大豆根叶均受LP诱导。超表达GmXTH38 在正常养分条件下抑制拟南芥主根生长和侧根数目;超表达GmXTH38改变拟南芥根系在磷铁养分胁迫条件下的生长。     

大豆磷铁养分胁迫响应的FER基因鉴定及FER1缓解铁毒作用

  【目的】  FERRITIN (FER)是一类保守铁蛋白,对于维持铁的稳态及铁代谢中起重要作用。通过鉴定大豆FERRITIN (GmFER)基因家族的组成及其对低磷、铁毒等养分胁迫的响应,为今后研究FER功能奠定基础。  【方法】  对GmFER基因进行生物信息学分析,根据其编码的GmFER氨基酸序列,用ProtParam tool网站计算了GmFER家族的相对分子质量、氨基酸组成和等电点(PI);用PSORT网站预测GmFERs蛋白定位;从Phytozome网站下载GmFER家族的氨基酸序列与基因启动子序列,用 MEME 预测GmFER家族序列中的保守基序;用MEGA X对GmFERs进行进化分析,用最大似然法重建进化树;通过定量PCR分析GmFER对低磷、铁毒等养分胁迫的响应,构建GmFER1基因启动子融合GUS 报告基因的载体与GmFER1超表达载体,进一步分析GmFER1基因启动子活性和对铁毒的响应,以及异源超表达GmFER1对拟南芥耐受铁毒的影响。  【结果】  大豆基因组有12个GmFER基因,对GmFERs进行进化分析,发现GmFERs可以分为4个亚组(亚组Ⅰ～Ⅳ),其中GmFER3、GmFER7、GmFER8、GmFER10和GmFER11属于亚组Ⅰ,GmFER2和GmFER9同属亚组Ⅱ;GmFER5和禾本科植物水稻和玉米的FER同属亚组Ⅲ,GmFER1、GmFER4、GmFER6、GmFER12属于亚组Ⅳ;通过MEME预测,GmFER家族序列中的保守基序有3个;蛋白亚细胞定位预测显示,大豆FER蛋白可定位于细胞质、线粒体和叶绿体。运用定量PCR技术检测GmFER基因在大豆根和叶的表达水平,发现12个GmFER基因在响应磷铁养分胁迫时存在差异,其中GmFER1、GmFER4、GmFER5、GmFER6、GmFER12受低磷诱导,GmFER1、GmFER4、GmFER12表达受铁毒诱导;对GmFER1启动子的活性进行分析,发现铁毒促进GmFER1启动子在根系的活性;在铁毒胁迫下,与野生型Col-0比,超表达GmFER1显著提高了拟南芥的主根长、侧根数目、侧根密度、叶绿素含量和鲜重,增强了耐铁毒的能力。  【结论】  大豆基因组共有12个FER基因,GmFER基因响应低磷或铁毒等养分胁迫。超表达GmFER1可促进主根生长,增加侧根密度,提高叶绿素含量,增加植株鲜重,表明GmFER1在缓解铁毒胁迫方面起重要作用。