烤烟植株磷对矿质养分转运基因表达的影响及调控途径

摘要

【目的】作物体内磷与其他矿质养分之间存在复杂的交互作用。分析不同供磷水平对作物体内养分转运相关基因(启动子中含P1BS顺式调控元件)的表达水平,从基因水平深入理解磷与其它养分间交互作用的机理。【方法】设置砂培试验,供试烟草品种为K326(Nicotiana tabacum L.cv.K326),营养液中设低磷(0.1 mmol/L)、正常(对照,1 mmol/L)和高磷(5 mmol/L)3个磷供应水平,于烟草幼苗移栽4周后开始处理,5周后打顶,6周后取样,并分为根、茎、叶和腋芽,测定磷和其他元素浓度,鉴定启动子序列中含有磷调控顺式元件P1BS的基因,运用实时荧光定量PCR分析其中一些基因在缺磷和高磷条件下的相对表达量,采用生物学方法研究磷调控信号通路的中心转录因子NtPHR2调控钾、镁转运蛋白的途径。【结果】与对照相比,低磷和高磷处理均抑制烟株生长和地上部干物质量的积累;高磷处理植株各部位磷的积累均显著增加;地上部叶片中的钾、镁浓度随供磷水平的增加而提高,钙浓度在低磷和高磷处理下均不同程度地降低;根系中的铜、铁、锌浓度受供磷水平的影响不显著,而低磷显著降低了锰的吸收但促进锰向地上部转移。本研究在根系中共鉴定到86个含P1BS顺式调控元件的编码矿质营养转运蛋白的基因,选择其中磷、钾、钙、镁、铁、铜和锌转运蛋白基因12个进行RT-qPCR扩增分析,发现它们在低磷和高磷条件下的相对表达量不同。低磷和高磷处理均上调了磷、钾、钙、镁、铁转运蛋白基因表达量;低磷上调铜转运蛋白基因表达量而高磷下调其表达量;而两个锌转运蛋白基因一个在低磷和高磷时表达下调,另一个则表达上调。通过生物学方法证实了中心转录因子NtPHR2通过结合P1BS顺式元件直接调控钾和镁转运蛋白基因。【结论】缺磷和过量供磷均会抑制烟株生长,影响包括磷在内的养分的吸收和转运。增加磷供应水平可显著提高烟株各部位磷的浓度,提高钾和镁浓度,缺磷和过量供磷对地上部各组织其他养分浓度有负面影响。各营养元素转运蛋白基因的相对表达量受低磷和高磷的影响不同,可能与磷信号通路对其转运蛋白的调控途径有关。NtPHR2通过结合P1BS顺式元件直接调控钾和镁转运蛋白基因,因此,增加磷的供应提高了烟株磷的吸收,进而可能直接上调了钾和镁的吸收及转运。