摘要
磷是植物三种大量营养元素之一,是核酸、磷脂等生命大分子的重要组成元素。然而在部分玉米产区土壤有效磷不足已成为限制玉米产量增加的重要因素之一。大量磷肥的投入在短期解决了土壤有效磷缺乏,但也带来了生产成本增加和环境污染等问题。从长远看,培育玉米磷高效晶种,是解决土壤有效磷缺乏、降低种植成本和环境污染风险的主要途径之一。因此,探讨玉米耐低磷的分子机理,发掘关键基因功能,具有重要的理论意义和应用价值。 本研究在课题组前期采用基因芯片筛选得到大量差异表达基因的基础上,利用实时荧光定量PCR技术对谷胱甘肽硫转移酶、MYB转录因子、酸性磷酸酶、过氧化物酶等基因在磷高效玉米自交系178和磷低效自交系9782的正常营养条件和低磷胁迫后12h、24h、48h、72h和96h的表达模式进行了分析,得到了如下结果: 1.在自交系178中,低磷胁迫过程引起的山谷胱甘肽硫转移酶26(glutathioneS-transferase,GST26)调节的抗氧化胁迫响应主要表现在胁迫早中期,而在胁迫后期,9782中由该酶引起的抗氧化胁迫响应程度明显大于178。 2.MYB转录因子(MYB transcription factor,Zmmybl)基因的表达在低磷胁迫12小时最为敏感。自交系178 Zmmybl基因表达被抑制,变化幅度小。自交系9782基因表达变化幅度大。 3.178根系酸性磷酸酶(Acid phosphmase,ACP)基因低磷胁迫下未出现诱导表达,且基因表达整体基本呈缓慢下降趋势。在9782中,ACP基因诱导表达,且在12h时,表达量最大。178胁迫处理前后ACP基因表达丰度高于9782。 4.在9782中,过氧化物酶(Peroxidase,POD)基因单峰上调表达,而自交系178胁迫后POD基因表达被抑制,且表达变化量极小。 5.两个自交系的谷氨酰氨合成酶3(glutamine synthetase3,gin3)基因胁迫后都上调表达,在178中,gln3基因高表达时期滞后于9782。 6.CTP合成酶(CTP synthase,CTP)基因的表达趋势在供试材料间差异显著。自交系178 CTP基因下调表达,但96h表达水平又恢复至胁迫前;在9782中CTP基因在胁迫24h呈明显的诱导表达。 7.胁迫后两个自交系钙联蛋白(calnexin,Ca.)基因表达变化相反,自交系178胁迫期间Ca基因呈小幅波动的下调表达,而在9782中呈上调表达趋势。 8.在178中,泛素结合酶结构域蛋白(Ubiquitin-conjugating enzyme domaincontaining protein,UBCc)基因表达量显著高于自交系9782,而且在处理后12h、72h两个时间点有两个明显的诱导表达峰。 总体来说,自交系178中简单上调和下调表达的基因分别是GST26、gln3和Zmmybl、ACP、POD、CTP、Ca。不同处理时间和不同基因之间的比较都显示,GST26和gln3分别是178中胁迫早期和晚期起主要作用的基因。自交系9782基因表达变化形式多,ACP、POD、Ca这3个基因有双峰上调表达的变化趋势;gln3和UBCc表达模式相似,只有12h诱导表达。GST26、Zmmybl和CTP低磷胁迫期间既有上调表达,也有下调表达。自交系9782gln3胁迫早期(12h)起主要作用,而胁迫中后期起主要作用的是POD。自交系178基因表达变化基本稳定,根系受磷亏缺影响小。耐受磷胁迫能力强,且主动应对胁迫逆境。自交系9782对低磷胁迫反应敏感,主要以被动防御方式适应逆境。 总之,本研究通过对几个候选基因在玉米幼苗根系不同低磷胁迫处理时间进行基因表达模式分析,初步确定了以上候选基因在玉米根系低磷胁迫后的表达情况,揭示了低磷胁迫对玉米根系生长发育和代谢的影响,进而为寻找玉米根系低磷胁迫响应的关键基因,提供了有价值的信息。以上研究结果对课题组后期发掘利用磷高效关键基因,进而提出作物磷高效分子育种策略具有一定的指导意义。
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