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科學視點

植物所揭示鹽芥適應高鹽低磷生境的分子機制

  土壤鹽漬化通常和土壤貧瘠相伴,嚴重影響植物生長。鹽生植物在貧瘠的鹽漬生境下仍能良好生長,說明其可能具有獨特的養分吸收利用機制。已有研究表明,鹽芥(Eutrema salsugineum)除耐鹽外,對低磷脅迫也有較強的耐受性,這與該物種高鹽低磷的生長環境相適應。研究鹽芥適應高鹽低磷生境的分子機制,尋找鹽和低磷脅迫信號通路的交叉調控元件,對于提高鹽脅迫下作物的磷吸收利用效率具有重要科學意義及潛在應用價值。

  中國科學院植物研究所研究員李銀心研究組比較了鹽芥和擬南芥磷轉運體(Phosphate Transporter,PHT)基因家族在基因拷貝數、基因結構、啟動子元件以及表達模式方面的異同,并對相應的基因和啟動子進行了功能研究。發現鹽芥基因組中有7個串聯重復基因編碼PHT1;3,且實驗證明至少其中6個基因參與了磷吸收。鹽芥PHT基因的啟動子區存在多個逆境脅迫相關的順式作用元件,與此相一致,在鹽脅迫下鹽芥中多數PHT1基因表達上調,而擬南芥中多數PHT1基因的表達受到抑制,包括PHT1;9在內的多個基因在兩個物種中呈現相反的表達模式。進一步分析發現,EsPHT1;9AtPHT1;9均參與磷從根到莖的轉運,且在低磷和鹽脅迫下,地上部分的總磷與鉀含量呈顯著正相關,提示磷和鉀存在協同轉運機制。

  在鹽、鹽+低磷脅迫下,EsPHT1;9的啟動子比AtPHT1;9啟動子功能更強。鹽脅迫下,EsPHT1;9啟動子驅動的轉PHT1;9擬南芥植株地上部分鮮重、總磷含量和K+/Na+比顯著高于野生型,而AtPHT1;9的啟動子驅動的轉基因植株與野生型無顯著差別,這可能與鹽脅迫下EsPHT1;9的啟動子驅動的轉基因植株中PHT1;9表達量高有關。結合啟動子元件分析,進一步鑒定到一個參與ABA信號的bZIP類轉錄因子EsABF5。EsABF5的表達在低磷和鹽脅迫下受抑制,且EsABF5可通過結合EsPHT1;9啟動子抑制其表達,從而負調控植物對鹽和低磷脅迫的耐受性。研究結果表明,EsPHT1;3基因復制以及鹽脅迫下多個PHT基因的誘導表達是鹽芥適應高鹽低磷生境的重要機制,這對于研發和培育耐鹽、耐低磷作物品種提供了理論支持和遺傳資源。

  相關研究成果在線發表在Plant,Cell & Environment上。植物所副研究員呂素蓮和研究生多麗雅為論文共同第一作者,李銀心為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金項目和農業部轉基因專項經費的支持。

  論文鏈接

  

EsPHT1;9及其啟動子提高擬南芥對鹽和低磷雙重脅迫的抗性。

 ?。╝)鹽脅迫下轉基因植株PHT1;9的相對表達量;(b)鹽和低磷脅迫下轉基因植株表型;(c)地上部分鮮重;(d)葉片花青素含量;(e)葉片葉綠素含量。