OsPTR9基因的超表达能够通过增加氮肥利用效率促进植株生长和提高水稻产量

摘要

植物体拥有一系列的氮素转运基因以实现从土壤中吸收氮素营养和在植物体内对氮素营养的重新分配，以满足植物体在生长、发育和繁殖过程中对氮素营养的需要。其中寡肽运输基因家族(PTR家族)的基因在植物有机氮(包括氨基酸和肽类物质等)平衡和利用方面起着重要的作用。本研究对水稻中小分子肽运输基因OsPTR9的功能进行了分析与鉴定，研究表明：OsPTR9是一个PTR家族的同源基因，蛋白定位在质膜上，并且有8个跨膜结构。OsPTR9在水稻侧根、叶、穗的表达量较高，侧根中主要集中在皮层。该基因表达受不同氮源调节，呈现昼夜规律，能被铵根离子诱导。OsPTR9的超表达植株不定根根数、侧根密度增加，铵吸收能力增强，总游离氨基酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量提高，根中与铵吸收正相关的重要氨基酸Gln含量提高。目的基因干扰利突变体植株根冠发育异常，不定根根数、侧根密度减少，侧根原基外突破部位厚壁细胞异常加厚，阻碍了侧根原基的突破，影响侧根发育和对营养的吸收，导致植株根的铵吸收能力减弱，Gln含量及总游离氨基酸降低。但干扰和突变体植株茎中积累过量的Gin、Asn、Glu、Trp等氨基酸，影响了营养物质向植株上部转运和利用，导致植株生长素含量降低，植物生长矮小。生殖生长阶段，干扰和突变体植株叶片谷氨酰胺合成酶活性低，有机氮分解后向穗部运输再利用受到严重影响，结实种子少，而叶绿体中因有机氮分解与运输减慢，积累较多的有机氮，细胞分裂素含量较高，叶片衰老延缓。进一步研究表明，在铵肥条件下，超表达植株的分蘖数、株高、生物量、光合速率比对照显著提高，其中光合速率在低铵下比对照增加幅度最大，生物量在高铵下最高。超表达植株主要通过增加每株的粒数(包括增加每穗粒数、有效穗数)和千粒重提高产量。产量在不施肥处理中增幅最大，达到18.6％，铵肥有利于超表达植株获得较高的产量。干扰和突变体植株有效穗、穗长、总粒数、千粒重等与对照相比显著性降低，结实率比对照降低了50％以上，结实粒数非常少，突变体结实下降与生长能被OsPTR9互补。在烟草中超表达OsPTR9同样能促进生物量的提高。一系列研究结果表明，OsPTR9对水稻生长发育中根部氮素营养的向上运输及氮素分解再动员的循环利用等有重要的作用，能间接促进铵的吸收。该基因超表达后对于提高土壤中铵肥的利用率、促进水稻生长，并且提高水稻产量上有重要的应用价值。