耐低磷水稻品種篩選和根系形態(tài)重塑機制.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重影響水稻產量和品質。外源磷肥的大量施用雖然在一定程度上提高了水稻產量，但大量消耗了不可再生的磷礦資源，同時增加了農業(yè)生產成本，并加重了水體富營養(yǎng)化的風險。因此，在現有水稻材料中，篩選磷高效水稻品種，研究其耐低磷機制，發(fā)掘水稻中的耐低磷關鍵基因，對于充分利用水稻固有的生物學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，進而應用基因芯片和實時熒光定量PCR(qRT-PCR)技術，分析耐低磷水稻根系基因表達對低磷脅迫的應答，探討低磷脅迫下水稻根系形態(tài)重塑的機制，發(fā)掘出與根系形態(tài)重塑相關的關鍵基因。主要結論如下:
　　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、）。結果表明，在低磷處理下所有供試品種的分蘗數、穗數、根系總干重、葉內磷含量均較對照顯著降低，多數品種的株高也較對照略有下降，其中以分蘗數、穗數對低磷脅迫最為敏感，且降幅最高，而極大多數品種的根長較對照大幅增高。進而根據對穗數和根長相關關系的分析，篩選出三類不同的低磷應答型水稻品種（系），即:磷高效吸收利用應答基因型（儀粳2434、鄭旱6號），根系形態(tài)重塑應答基因型（鎮(zhèn)稻99、華瑞稻1號），低磷敏感基因型（通粳981、儀粳2490）。并

4、通過體內磷含量測定和根系掃描結果，進一步在上述所篩選出的三類低磷應答基因型品種中劃分出了相應的亞類型。
　　2.基因芯片檢測到水稻根系中對低磷脅迫的差異表達基因
　　在低磷處理15天后，應用基因芯片技術對根系形態(tài)重塑應答基因型水稻品種鎮(zhèn)稻99根系中的基因表達譜進行了分析。結果顯示,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(ratio值≥2或≤0.5)基因共有1875個，其中上調基因924個，下調基因9

5、51個。根據生物學數據庫查詢和文獻查閱，進一步篩選出了其功能可能與根系形態(tài)重塑相關的低磷處理誘導表達基因，這些基因的功能類型分別屬于:根系形態(tài)關鍵調控基因（10個）、轉錄及生長調控相關基因（16個）、根冠蛋白基因（7個）、根系細胞壁物質合成和代謝相關基因（12個）、細胞膨脹素基因（12個）、激素代謝與激素信號途徑相關基因（16個）。
　　3.低磷脅迫誘導表達基因的qRT-PCR驗證
　　進一步采用實時熒光定量PCR技術，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)重塑相關基因在低磷脅迫下的轉錄水平進行了驗證。結果表明，在鎮(zhèn)稻99根系中，所選擇驗證的5個根系形態(tài)關鍵調控基因的轉錄都受到低磷脅迫的誘導;在通粳981中根系中，除P-type R2R3 Myb在低磷脅迫下的轉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個轉錄與生長調控相關基因在低磷脅迫下的鎮(zhèn)稻99根系中均表現為上調表達;而在低磷脅迫下的通粳981根系中，ENOD93、M

7、ADS-box基因表現為明顯的下調表達，其余基因表現為上調表達，但上調倍數明顯低于鎮(zhèn)稻99。所驗證的3個根冠蛋白基因在經低磷處理的兩個水稻品種根系中均呈現明顯的上調表達，但在鎮(zhèn)稻99根系中的上調倍數高于鎮(zhèn)稻99。所驗證的6個根系細胞壁物質合成和代謝相關基因除了漆酶-25在低磷脅迫下鎮(zhèn)稻99根系中上調表達而在通粳981根系中下調表達外，其余基因在兩共試水稻品種根系中均表現為上調表達。所驗證的5個細胞膨脹素基因中的多數在經低磷處理的鎮(zhèn)稻99

8、根系中的轉錄水平遠高于其在通粳981中的轉錄水平。所驗證的赤霉素、生長素、植物磺肽素代謝和調控相關基因及細胞分裂素氧化酶基因在鎮(zhèn)稻99根系中轉錄水平遠高于在通粳981中的轉錄水平。上述結果不僅驗證了基因芯片檢測的準確性，且為鎮(zhèn)稻99耐低磷根系形態(tài)重塑機制的闡明提供了線索。
　　4.鎮(zhèn)稻99根系耐低磷形態(tài)重塑的可能機制
　　綜上，作者認為，在低磷脅迫下水稻耐低磷根系形態(tài)重塑機制復雜。在低磷脅迫下的鎮(zhèn)稻99根系中:
　?、?/p>

9、SCARECROW、 R2R3MYB和P-type R2R3 MYB基因表達的誘導，可能是鎮(zhèn)稻99初生根大幅加長的基因調控機制;TTG1、TT12、PHR和多個bHLH基因表達的的誘導，可能是鎮(zhèn)稻99根毛發(fā)生和伸長的關鍵原因;多個WRKY轉錄因子基因表達的誘導，可能與鎮(zhèn)稻99側根的發(fā)生、發(fā)育相關。
　?、谪悮ど枷┖铣擅?A、貝殼杉烯氧化酶1和赤霉素3β-羥化酶基因表達的誘導，促進鎮(zhèn)稻99根系中赤霉素的合成;萜烯合成酶和IAA-氨基

10、酸水解酶基因表達的誘導，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答調節(jié)蛋白基因表達的誘導，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家族蛋白基因表達的誘導，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€膨脹素基因的表達受到低磷脅迫的強烈誘導，表明，膨脹素在鎮(zhèn)稻99根細胞膨大中發(fā)揮關鍵作用。
　?、芷崦浮⑦^氧化物酶、果膠合