1、磷素是植物必需的大量無機營養(yǎng)元素，是核酸、磷脂和ATP等生命大分子的重要組分。提高作物對土壤中磷素和施用磷肥的利用效率，對于促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本項研究針對目前有關水稻磷效率生理和分子機制有待深化的現(xiàn)狀，以典型粳稻品種為材料，開展了水稻耐低磷能力基因型差異及其生理基礎、水稻應答磷脅迫特異表達基因鑒定和介導植株磷素吸收、轉(zhuǎn)運的水稻磷轉(zhuǎn)運蛋白基因(OsPT2和OsPT4)分子特征、表達特性和功能的研究。主要研究結(jié)果如下：

2、>　　 1.以10個粳稻品種為材料，研究了不同供磷水平下供試品種的生長和磷素吸收特性。結(jié)果表明，缺磷(20μMPi)條件下，供試水稻品種單株磷累積量具有較大差異，可劃分為高效、中效和低效三種類型。單株干重和全磷含量與單株磷累積量在缺磷條件下呈顯著或極顯著正相關。表明缺磷條件下植株生長狀況與吸磷能力強弱具有緊密聯(lián)系。缺磷條件下，供試水稻株高、單株葉面積與單株磷累積量表現(xiàn)趨勢相同，但單株根數(shù)、平均根長和根系體積與磷素吸收關系不密切。研究表

3、明，磷脅迫條件下根系的磷吸收能力，是影響水稻品種磷吸收量的主要原因。缺磷條件下吸磷量相對增多，是磷高效品種植株性狀相對改善的重要生物學基礎。
　　 2.以磷高效品種TP309和優(yōu)質(zhì)8號、中效品種墾優(yōu)2000和新90-3及低效品種9618和早88-1為材料，研究了缺磷條件下供試品種的光合特性和細胞保護酶活性。缺磷條件下，隨植株生長進程，供試品種的光合速率(Pn)均不斷下降；但在同一測定時期以磷高效品種最高，中效品種次之，低效品種最

4、低。單株葉面積表現(xiàn)特征與Pn不盡不同。缺磷條件下，葉綠素(Ch1)含量、可溶蛋白含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性也表現(xiàn)為隨品種磷吸收效率提高而增大，丙二醛(MDA)含量則相反。氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)則與磷效率不具相關性。Pn、Ch1、可溶蛋白含量和SOD活性與單株磷累積量均呈顯著或極顯著正相關，MDA與單株磷累積量呈顯著負相關。表明可用上述生理生化參數(shù)作為鑒定水稻耐低磷能力的參考指標。研究表明，較強的SOD活性是高效供試品

5、種在缺磷條件下細胞膜脂過氧化程度低的重要原因，并在維持光合器官功能中具有重要作用。
　　 3.采用cDNA-AFLP技術(shù)，鑒定了磷高效品種TP309在低磷脅迫下的特異表達基因。共鑒定特異表達基因54個，其中22個具有推定功能。已知功能基因分別歸屬于信號轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、氨基酸合成、物質(zhì)運輸、逆境響應和蛋白質(zhì)合成等6個功能類別。
　　 14-3.3類似蛋白基因(AF451190)在低磷脅迫下增強表達，可能對于增強質(zhì)膜H+泵活

6、力、進而增強在低磷脅迫下的磷素吸收中具有較重要作用。絲氨酸/蘇氨酸激酶基因(AK100849)的表達受到低磷脅迫誘導，可能參與了胞內(nèi)低磷逆境信號的轉(zhuǎn)導過程。信號肽酶基因(AB066265)可能參與了胞內(nèi)低磷逆境信號傳遞體中特定蛋白的剪切、加工，介導轉(zhuǎn)至胞內(nèi)低磷信號的進一步傳遞。本研究中，鑒定了bHLH型轉(zhuǎn)錄因子基因OsPTF1(AY238991)也呈低磷脅迫誘導表達。表明該轉(zhuǎn)錄因子在增強供試品種TP309在低磷脅迫條件下的磷素吸收和利用

7、中具有較重要作用。此外，熱激轉(zhuǎn)錄因子基因(AK065643)參與了下游低磷應答部分基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。HAK8基因(AJ427977)上調(diào)表達，表明磷脅迫條件下植株的鉀素吸收特征也發(fā)生一定改變。本研究鑒定了8個應答低磷逆境響應基因，有關上述基因的功能有待進一步探討。研究表明，水稻對低磷脅迫的響應，存在著植株對低磷信號轉(zhuǎn)導、特定基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和植株在生理生化和形態(tài)學上對低磷應答等復雜的生物學過程。
　　 4.水稻磷轉(zhuǎn)運蛋白基因OsPT

8、2的編碼閱讀框為1587bp，編碼528個氨基酸，蛋白分子量57.84kDa，等電點8.68。編碼蛋白含有12個跨膜域。系統(tǒng)進化分析表明，OsPT2與水稻OsPT1、PT1、PTs1和OsPT3，及小麥PT8、大麥PT和玉米PT4高度同源。在正常供磷(CK，2mMPi)條件下，OsPT2在根系和葉片中均有表達，但以在葉中的表達水平較高。隨著磷水平降低，OsPT2在根中的表達增強，在葉中的表達表現(xiàn)為隨外界磷濃度變化保持穩(wěn)定的組成型特征。在

9、低磷(20μMPi)條件下，在根中表達隨著低磷處理時間延長不斷增加。低NH4+對根葉中OsPT2的表達產(chǎn)生負向調(diào)控效應，但外界NO3-、K+、Fe2+和Zn2+濃度的變化對OsPT2的表達沒有影響。OsPT2啟動子中含有許多應答非生物逆境的調(diào)控元件，其中應答低磷脅迫逆境的PIBS可能與根系中OsPT2低磷增強表達有關。OsPT2啟動子驅(qū)動報告基因Gus在不同磷水平下的表達結(jié)果，與OsPT2在相應磷水平下的表達特征相一致。
　　

10、對野生型植株(CK)和具有不同OsPT2表達水平的煙草轉(zhuǎn)基因系1、4和6T2植株研究表明，與CK相比，轉(zhuǎn)基因煙草植株的全磷含量沒有差異。但轉(zhuǎn)基因系植株的單株干重、單株磷累積量和光合速率較CK均有不同程度的增加，表現(xiàn)為隨植株中OsPT2表達水平提高，上述性狀或參數(shù)數(shù)值不斷增大。因此，異源表達OsPT2，具有增強植株在低磷脅迫條件下磷素吸收和改善植株光合碳同化能力的作用。
　　 5.水稻磷轉(zhuǎn)運蛋白基因OsPT4的編碼閱讀框為1617

11、bp，編碼538個氨基酸，蛋白分子量58.83kDa，等電點8.24。OsPT4含有11個跨膜域，各跨膜域的氨基酸殘基數(shù)量變化在17～27之間。系統(tǒng)進化分析表明，OsPT4與水稻Phtll-2、PT5、小麥PT1、大麥HvPT4和玉米PT2具有較高的同源性。在不同供磷水平下，OsPT4在植株根系中均不表達，在葉片中的表達表現(xiàn)為隨介質(zhì)中磷水平降低不斷增強。在低磷脅迫(20μMPi)條件下，OsPT4在葉中的表達表現(xiàn)為，隨著低磷處理時間延長

12、表達水平呈不斷增加趨勢。葉中OsPT4對外界NH4+、NO3-、K+、Fe2+和Zn2+濃度的變化均不產(chǎn)生應答。研究表明，在OsPT4啟動子中，不存在應答低磷脅迫逆境的重要調(diào)控元件PIBS，表明OsPT4在葉片中對低磷脅迫的上調(diào)應答，與未知的其他調(diào)控元件有關。研究發(fā)現(xiàn)，OsPT4啟動子驅(qū)動報告基因Gus在不同磷水平下的表達結(jié)果，與OsPT4在相應磷水平下的表達特征相吻合。
　　 高表達OsPT4的轉(zhuǎn)基因煙草植株(轉(zhuǎn)基因系1、5和