揭示鹽芥適應(yīng)高鹽低磷生境的分子機(jī)制

（2021.3.11 中國(guó)科學(xué)院）

土壤鹽漬化通常和土壤貧瘠相伴，嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)。鹽生植物在貧瘠的鹽漬生境下仍能良好生長(zhǎng)，說明其可能具有獨(dú)特的養(yǎng)分吸收利用機(jī)制。已有研究表明，鹽芥（Eutrema salsugineum）除耐鹽外，對(duì)低磷脅迫也有較強(qiáng)的耐受性，這與該物種高鹽低磷的生長(zhǎng)環(huán)境相適應(yīng)。研究鹽芥適應(yīng)高鹽低磷生境的分子機(jī)制，尋找鹽和低磷脅迫信號(hào)通路的交叉調(diào)控元件，對(duì)于提高鹽脅迫下作物的磷吸收利用效率具有重要科學(xué)意義及潛在應(yīng)用價(jià)值。

中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員李銀心研究組比較了鹽芥和擬南芥磷轉(zhuǎn)運(yùn)體（Phosphate Transporter，PHT）基因家族在基因拷貝數(shù)、基因結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)子元件以及表達(dá)模式方面的異同，并對(duì)相應(yīng)的基因和啟動(dòng)子進(jìn)行了功能研究。發(fā)現(xiàn)鹽芥基因組中有7個(gè)串聯(lián)重復(fù)基因編碼PHT1;3，且實(shí)驗(yàn)證明至少其中6個(gè)基因參與了磷吸收。鹽芥PHT基因的啟動(dòng)子區(qū)存在多個(gè)逆境脅迫相關(guān)的順式作用元件，與此相一致，在鹽脅迫下鹽芥中多數(shù)PHT1基因表達(dá)上調(diào)，而擬南芥中多數(shù)PHT1基因的表達(dá)受到抑制，包括PHT1;9在內(nèi)的多個(gè)基因在兩個(gè)物種中呈現(xiàn)相反的表達(dá)模式。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，EsPHT1;9和AtPHT1;9均參與磷從根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)，且在低磷和鹽脅迫下，地上部分的總磷與鉀含量呈顯著正相關(guān)，提示磷和鉀存在協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

在鹽、鹽+低磷脅迫下，EsPHT1;9的啟動(dòng)子比AtPHT1;9啟動(dòng)子功能更強(qiáng)。鹽脅迫下，EsPHT1;9啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)PHT1;9擬南芥植株地上部分鮮重、總磷含量和K+/Na+比顯著高于野生型，而AtPHT1;9的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)基因植株與野生型無顯著差別，這可能與鹽脅迫下EsPHT1;9的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)基因植株中PHT1;9表達(dá)量高有關(guān)。結(jié)合啟動(dòng)子元件分析，進(jìn)一步鑒定到一個(gè)參與ABA信號(hào)的bZIP類轉(zhuǎn)錄因子EsABF5。EsABF5的表達(dá)在低磷和鹽脅迫下受抑制，且EsABF5可通過結(jié)合EsPHT1;9啟動(dòng)子抑制其表達(dá)，從而負(fù)調(diào)控植物對(duì)鹽和低磷脅迫的耐受性。研究結(jié)果表明，EsPHT1;3基因復(fù)制以及鹽脅迫下多個(gè)PHT基因的誘導(dǎo)表達(dá)是鹽芥適應(yīng)高鹽低磷生境的重要機(jī)制，這對(duì)于研發(fā)和培育耐鹽、耐低磷作物品種提供了理論支持和遺傳資源。

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Plant，Cell & Environment上。植物所副研究員呂素蓮和研究生多麗雅為論文共同第一作者，李銀心為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)經(jīng)費(fèi)的支持。