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李银心研究组揭示盐芥适应高盐低磷生境的分子机制

土壤盐渍化(盐分过多)通常和土壤贫瘠(养分缺乏且不平衡)相伴,严重影响了植物生长。盐生植物在贫瘠的盐渍生境下仍能良好生长,说明其可能具有独特的养分吸收利用机制。研究表明,盐芥(Eutrema salsugineum)除了耐盐外,对低磷胁迫也有较强的耐受性,这与该物种高盐低磷的生长环境相适应。研究盐芥适应高盐低磷生境的分子机制,寻找盐和低磷胁迫信号通路的交叉调控元件,对于提高盐胁迫下作物的磷吸收利用效率具有重要科学意义及潜在应用价值。

近日,中国科学院植物研究所李银心研究组比较了盐芥和拟南芥磷转运体(Phosphate Transporter, PHT)基因家族在基因拷贝数、基因结构、启动子元件以及表达模式方面的异同,并对相应的基因和启动子进行了功能研究。发现盐芥基因组中有7个串联重复基因编码PHT1;3,且实验证明至少其中6个基因参与了磷吸收。有意思的是盐芥PHT基因的启动子区存在多个逆境胁迫相关的顺式作用元件,与此相一致,在盐胁迫下盐芥中多数PHT1基因表达上调,而拟南芥中多数PHT1基因的表达受到抑制,包括PHT1;9在内的多个基因在两个物种中呈现相反的表达模式。进一步分析发现EsPHT1;9AtPHT1;9 均参与磷从根到茎的转运,且在低磷和盐胁迫下,地上部分的总磷与钾含量呈显著正相关,提示磷和钾存在协同转运机制。
       在盐、盐+低磷胁迫下,EsPHT1;9的启动子比AtPHT1;9 启动子功能更强。盐胁迫下,EsPHT1;9启动子驱动的转PHT1;9拟南芥植株地上部分鲜重、总磷含量和K+/Na+比显著高于野生型,而AtPHT1;9的启动子驱动的转基因植株与野生型无显著差别,这可能与盐胁迫下EsPHT1;9的启动子驱动的转基因植株中PHT1;9表达量高有关。结合启动子元件分析,进一步鉴定到一个参与ABA信号的bZIP类转录因子EsABF5。EsABF5的表达在低磷和盐胁迫下受抑制,且EsABF5可通过结合EsPHT1;9启动子抑制其表达,从而负调控植物对盐和低磷胁迫的耐受性。

       以上结果表明,EsPHT1;3基因复制以及盐胁迫下多个PHT基因的诱导表达是盐芥适应高盐低磷生境的重要机制。该研究将对研发和培育耐盐、耐低磷作物品种提供理论支持和遗传资源。

该研究成果于2月9日发表在Plant, Cell & Environment。李银心研究组副研究员吕素莲博士和研究生多丽雅为共同第一作者,李银心研究员为通讯作者。该成果得到国家自然科学基金项目和农业部转基因专项经费支持。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14027



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