论文部分内容阅读
磷是植物生长发育必不可少的矿质营养元素,它不仅是植物许多重要物质的组成成分,还参与了植物体内大部分的生理生化过程。此外,磷在提高作物产量与品质方面也具有重要作用。大豆是需磷量较大的豆科作物,但是土壤中有效性磷含量较低,往往无法满足其生长需求。根系是植物从外界环境获取养分和水分的重要器官。根构型是指根系在土壤或其他生长介质中的空间分布,决定了植物对土壤中难溶性养分的有效吸收面积。由于磷在土壤中具有异质性分布及溶解性较低等特点,改良根构型对提高作物对土壤磷的吸收效率十分重要。本研究探究了在磷饥饿条件下,b HLH转录因子Gm PTF1启动β扩张蛋白基因Gm EXPB2,参与调控大豆根构型、响应磷饥饿的分子机制。主要研究结果如下:(1)利用111份大豆核心种质材料,探究了Gm EXPB2在根系的表达与根系生长和植株磷含量之间的关系。结果显示,低磷胁迫下Gm EXPB2在根系的表达具有显著的基因型差异,不同基因型间相对表达量最大差异为2.1倍。根据Gm EXPB2表达量将供试材料分为高中低三组,高表达组根长和磷含量分别是低表达组的1.4倍和1.6倍。说明增强Gm EXPB2的表达,可能促进大豆根系生长和提高磷效率。(2)利用过表达Gm EXPB2的转基因大豆植株进行盆栽实验,结果发现,过表达Gm EXPB2能够显著增加植株结荚数和生物量,提高植株磷含量。与对照组相比,三个过表达组的结荚数分别是其1.5倍、1.75倍和1.84倍,根长分别增加了17.2%、31.4%和74.9%,磷含量分别增加了46.9%、40.5%和69.0%。进一步证实增强Gm EXPB2的表达,能够促进大豆生长和提高磷效率。(3)Gm EXPB2启动子的区段分析发现,P1区段(-304 bp～-1 bp)在-P和+P处理下,根系GUS染色差异最显著,-P条件下的GUS基因表达量和GUS酶活性分别增加了3.25倍和2.83倍。说明P1区段含有磷饥饿响应元件。P1区段有三个b HLH型转录因子的识别结合位点E-box作用元件。其中,Gm PTF1是已被报道的大豆响应磷饥饿的调节因子。因此,Gm PTF1可能是参与调控大豆根构型响应磷饥饿的候选基因。(4)利用烟草瞬时转化系统,分析E-box作用元件对Gm PTF1调控Gm EXPB2表达的影响。结果发现,Gm PTF1与含有3个E-box元件的启动子P1区段共转化时,GUS染色最强、GUS表达量和GUS酶活性与对照组相比也显著上调,分别为49%和133%。而与Gm PTF1共转的P1启动子区段中突变的E-box个数越少,其GUS染色、GUS表达量和GUS酶活性就越强。说明Gm PTF1能够与Gm EXPB2启动子中E-box作用元件结合,增强Gm EXPB2的表达,且具有剂量效应。(5)通过农杆菌介导的大豆毛根转化体系,获得Gm PTF1转基因复合植株,进而探究Gm PTF1对大豆适应磷饥饿条件的影响。Gm PTF1的表达能够调控Gm EXPB2的表达。过表达Gm PTF1,植株根长增加了47.1%,净生长量增加了46.2%,磷含量增加了30.7%;而干涉Gm PTF1,抑制其表达则使植株根长、净生长量和磷含量分别降低了36.4%、34.6%和49.5%。说明Gm PTF1对大豆植株生长具有重要调控作用。综上所述,本研究鉴定到一个参与调控大豆根构型响应磷饥饿的新b HLH型转录因子,Gm PTF1。Gm PTF1是通过结合Gm EXPB2启动子中E-box作用元件,调节Gm EXPB2的表达来参与调控大豆根构型对低磷胁迫的响应。研究结果有助于解析磷胁迫调控作物根构型的分子机制,为通过分子育种改变根构型、提高大豆磷效率提供理论依据和候选基因。