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盐生杜氏藻硝酸盐转运蛋白基因的表达模式



全 文 :http://www.cibj.com/
应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol 2013,19 ( 2 ) : 231-235
2013-04-25 DOI: 10.3724/SP.J.1145.2013.00231
高等植物不能利用空气中的氮,仅能吸收化合态的氮,
用以合成各种氨基酸、蛋白质和DNA. 植物吸收化合态的氮
主要来源于土壤中的铵盐和硝酸盐. 植物从土壤中吸收铵盐
后,直接利用它合成氨基酸;如果吸收的是硝酸盐,则必须
经过代谢还原后才能被利用. 研究表明硝酸盐不仅是植物氮
代谢途径中的主要营养成分,也是植物生长发育中的重要信
号分子. 硝酸盐的吸收特性和转运机制已经成为植物生理学
和植物分子生物学领域的研究热点.
硝酸盐转运蛋白是控制硝酸盐进入生物体内的关键膜
蛋白. 硝酸盐吸收动力学研究结果表明,在高等植物中存在
两个硝酸盐的转运系统,一种是高亲和性转运系统(High-
affinity transport systems,HATS),HATS在环境硝酸盐浓
度在1 μmol/L-1 mmol/L之间时参与硝酸盐吸收和转运,
HATS包括组成型HATS(cHATS)和诱导型HATS(iHATS),
cHATS对硝酸盐的亲和性超过iHATS;另一种是低亲和性
转运系统(Low-affinity transport systems,LATS),LATS 在
环境硝酸盐浓度大于1 mmol/L时才参与硝酸盐吸收和转
运 [1]. 拟南芥有3个硝酸盐转运蛋白家族:AtNRT1有53个成
员,AtNRT2有7个成员,AtCLC也有7个成员[2-3]. 通常情况下,
盐生杜氏藻硝酸盐转运蛋白基因的表达模式*
王中浩 范智勇 王亭亭 刘志斌 王健美**
(四川大学生命科学学院,生物资源与生态环境教育部重点实验室 成都 610065)
摘 要 硝酸盐不仅是植物氮代谢途径中的主要营养成分,也是植物生长发育中的重要信号分子. 硝酸盐的吸收特性
和转运机制已成为植物生理学和植物分子生物学领域的研究热点. 本研究从盐生杜氏藻中克隆到一个硝酸盐转运
蛋白基因DsNRT2.1-1,通过氨基酸序列比对分析,发现DsNRT2.1-1与24个植物高亲和性硝酸盐转运蛋白(NRT2)序
列的同源性高达66%. 在不同浓度硝酸盐诱导下,通过半定量RT-PCR方法分析DsNRT2.1-1基因的表达模式,结果表明
DsNRT2.1-1基因在低浓度硝酸盐诱导下表达,而高浓度硝酸盐则抑制其表达. 当外源添加不同浓度的硝酸盐代谢产
物NH4+或天冬氨酸或谷氨酸时,DsNRT2.1-1基因的表达明显受到上述产物的反馈抑制. 在NaCl胁迫条件下,高浓度的
NaCl可以诱导DsNRT2.1-1基因的表达. 表达DsNRT2.1-1基因的大肠杆菌在0.69 mol/L NaCl胁迫下表现出对盐的耐受性.
上述研究结果有助于深入研究盐生杜氏藻硝酸盐转运蛋白的作用机理,同时暗示DsNRT2.1-1基因在作物耐盐分子育
种中具有一定的应用前景. 图6 参12
关键词 DsNRT2.1-1;表达模式;盐生杜氏藻;耐盐性
CLC Q946.1 : S503.4
Expression Patterns of Nitrate Transporter Gene in Dunaliella salina*
WANG Zhonghao, FAN Zhiyong, WANG Tingting, LIU Zhibin & WANG Jianmei**
(Key Laboratory of Bio-Resources and Eco-Environment of Ministry of Education, College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610065, China)
Abstract Nitrate is not only a primary nutrient in nitrogen assimilation pathway, but also an important signal for plant
development. The mechanism of uptake from the environment and transport of nitrate has been the subject of intensive
physiological and molecular studies. A nitrate transporter gene DsNRT2.1-1 was cloned from Dunaliella salina, and its amino
acid sequence compared with other 24NRT2 found in NCBI. The expression patterns of DsNRT2.1-1 depending on external
nitrate concentration and products of nitrate assimilation were analyzed by semi-quantitative reverse transcriptase-polymerase
chain reaction. The results demonstrated that the DsNRT2.1-1 shared 66% similarity to other 24 NRT2. The transcriptional
level of DsNRT2.1-1 was strongly induced by low nitrate concentration and repressed by high nitrate concentration. The
expression of DsNRT2.1-1 was negatively feedback regulated by products of nitrate assimilation such as ammonium, glutamic
acid and aspartic acid. The results also showed that the DsNRT2.1-1 was induced by high NaCl concentration and the
Escherichia coli expressing DsNRT2.1-1 acquired resistance to salt stress. The fi ndings are helpful for further study on nitrate
uptake and translocation mechanism in D. salina and provide a clue for salt tolerance plant breeding. Fig 6, Ref 12
Keywords DsNRT2.1-1; expression pattern; Dunaliella salina; salt tolerance
CLC Q946.1 : S503.4
收稿日期 Received: 2012-04-24 接受日期 Accepted: 2012-05-06
*国家自然科学基金面上项目(31271758,31171586)资助 Supported
by the National Natural Science Foundation of China (General Program,
Nos. 31271758, 31171586)
**通讯作者 Corresponding author (E-mail: wangjianmei06@gmail.com)
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盐生杜氏藻硝酸盐转运蛋白基因的表达模式 2期
AtNRT2属于HATS,但是,也有特殊情况,拟南芥的AtNRT1
家族成员CHL1是一个具有双重亲和性(既有高亲和性也有
低亲和性)的蛋白质,它通过T101位点的磷酸化与去磷酸化
来达到双重亲和性 [4]. 对拟南芥的AtNRT2.1基因表达模式的
研究结果表明多种氮代谢产物包括NH4+和谷氨酰胺、谷氨
酸、天冬氨、精氨酸等氨基酸等都会抑制AtNRT2.1的表达 [5].
分析其调控区序列表明AtNRT2.1的启动子区域有一段150 bp
的含有TATA框的顺式作用元件,AtNRT2.1基因的表达受NO3-
及硝酸盐代谢产物的调控 [6].
盐生杜氏藻(Dunaliella salina,简称盐藻)是迄今发现
的世界上最耐盐的单细胞真核绿藻,在0.5-5.5 mol/L的NaCl
环境下可以正常生长,通过快速代谢合成甘油适应高盐渗透
胁迫 [7]. 贺庆华等曾通过Northern杂交试验报道盐藻高亲和
性硝酸盐转运蛋白基因DsNRT2.1受硝酸盐诱导表达,同时其
表达也受到NaCl的诱导 [8]. 显然,与大量的植物硝酸盐转运
蛋白基因的功能及表达模式研究相比,耐盐模式生物盐藻的
硝酸盐转运蛋白基因的表达模式和功能研究还很少,尤其
是高盐环境下的硝酸盐吸收和转运机理方面的研究. 因此,
本研究从盐藻中克隆到一个硝酸盐转运蛋白基因 DsNRT2.1-1
(GeneBank登录号JN624759),并对其表达模式进行一系列
研究,以期为进一步研究盐藻硝酸盐转运蛋白基因功能提
供基础信息,同时为现代农业抗逆育种提供分子基础.
1 材料与方法
1.1 材 料
盐生杜氏藻(D. salina)为本实验室保存的材料. 培养
条件:25 ℃,16 h光照8 h黑暗,常规培养基成分:1.5 mol/L
NaCl,5.0 mmol/L NaNO3,5.0 mmol/L MgSO4·7H2O,0.1 mmol/
L NaH2PO4·2H2O,1.0 mmol/L KCl,10.0 mmol/L NaHCO3,0.3
mmol/LCaCl2·2H2O和微量元素混合物 [8]. 本研究中取对数期
的细胞作为实验材料.
1.2 方 法
1.2.1 对盐藻的诱导和胁迫处理 分析不同的硝酸盐浓度对
DsNRT2.1-1基因的诱导表达,首先在常规条件下培养盐藻,
细胞处于对数期时,离心收集盐藻细胞,然后将等量盐藻细
胞分别转移到含有0.2 mmol/LNO3-,5.0 mmol/L的NO3-,10.0
mmol/LNO3
-的培养基(其他成分与常规培养基相同)中培
养3 h. 在分析氮代谢产物对DsNRT2.1-1基因表达模式的影
响时,将盐藻细胞转移到含有10.0 mmol/L NH4+ 的培养基中
培养3 h、6 h、9 h、12 h、24 h,或将盐藻细胞转移到含有0.2
mmol/L NH4
+ 的培养基中培养3 h、6 h、36 h. 或将盐藻细胞转
移到含有1 mmol/L的天冬氨酸或谷氨酸的培养基中培养3 h、
6 h. 为了分析NaCl对DsNRT2.1-1表达的影响,将收集的盐藻
细胞转移到含有6.0 mol/L NaCl的培养基中培养 3 h、6 h、9 h、
12 h、24 h、48 h,在上述各种处理条件下,以常规培养的盐藻
细胞作为对照样品. 按下述方法提取总RNA,用于基因表达
模式研究.
1.2.2 总RNA的提取和载体构建 将在正常生长条件下
培养的和经过各种条件处理的盐生杜氏藻离心收集,液
氮研磨,利用R NAiso Plus试剂盒(宝生物公司)提取总
RNA. 紫外分光光度计检测总RNA质量. 根据RNA PCR
K it(A M V)试剂盒(宝生物公司)的说明书进行反转录
PCR,得到的cDNA保存到-20 ℃待用. 根据已经报道的盐
生杜氏藻硝酸盐转运蛋白DsNRT2.1 [8]设计引物(DsNRT2.1
up: 5 ′- CG G GATCCATG G CCACATCG G CCA A AGAG
-3 ′ ; D s N R T 2 . 1 d o w n : 5 ′ - C C G C T C G AG G T T T G A -
GTCCTCACGGATGCTAGCTATG-3′)进行PCR扩增得后,将
PCR片段经BamHI和XholI酶切后,克隆到PET28a载体中,进
行测序.
1.2 .3 DsN RT2.1-1序列比对分析 利用序列分析软件
DNAMAN 5.2.2对DsNRT2.1-1和来源于24种植物的24个硝酸
盐转运蛋白(NRT2)进行同源性分析. 其他植物硝酸盐转运
蛋白序列及其来源如图1所示.
1. 2 .4 D sN RT 2 .1-1的表达模式分析 按照上述方法
提取不同样品的总 R N A,并进行反转录合成 c D N A,
用反转录 P C R专用特异基因引物(RTD s N RT 2 .1-1 u p:
5′-TCACCCTGAATTATGGTTACTG-3′和RTDsNRT2.1-1 down:
5′-ATATGATCGGCGGGACAC-3′)进行DsNRT2.1-1基因的表
达分析. PCR反应程序:盐胁迫处理样品及其对照循环数为
27,其余样品及其对照的循环数为29. 具体参数:94 ℃,40
s;57 ℃,30 s;72 ℃,30 s. 所有样品均以18S基因作为内参基
因,其引物序列为18S up: 5′-GCCTGAGAAACGGCTACCACA-
3′;18S down: 5′-CTACGAGCTTTTTAACTGCAACAAC- 3′,其
PCR 程序参数同上,只是循环数为26.
1.2.5 表达DsNRT2.1-1的大肠杆菌对高盐的耐受性分析 将
PET28a-DsNRT2.1-1质粒转化大肠杆菌BL21,并以转化
PET28a空载体的BL21为对照. 将两种转化子分别培养在含有
50 mg/L Kan的LB液体培养基中, 常规培养到到D600 nm =0.6时,
加入终浓度为0.2 mmol/L的IPTG诱导基因表达,28 ℃继续培
养5 h. 然后各取1 μL的培养液涂布到含有0.2 mmol/LIPTG和
50 mg/L Kan和0.69 mol/L NaCl的LB固体培养基上,37 ℃培
养48 h.
2 结果与分析
2.1 DsNRT2.1-1的克隆与分析
从盐藻中克隆的DsNRT2.1-1基因编码一个含有539
个氨基酸的多肽,与之前报道的DsNRT2.1(基因序列号
AY621079.1)差异为第64位上的苯丙氨酸变为丝氨酸. 重复4
次独立测序结果都发现DsNRT2.1-1第64位上的氨基酸为丝
氨酸(图1,第64位氨基酸用“*”标注). 另外,从NBCI中一
共查询到了24种植物的24个硝酸盐转运蛋白(NRT2)序列,
利用DNAMAN 5.2.2进行序列比对分析,发现DsNRT2.1-1和
这些NRT2蛋白序列有很高的同源性,其同源性达到66%(部
分序列如图1). 在这25个序列中,80%的序列在DsNRT2.1-1第
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64位氨基酸相应的位点上均为丝氨酸.
2.2 DsNRT2.1-1基因在不同浓度硝酸盐中的诱导表达
将在常规条件下(如材料和方法中所述)培养且处于对
数生长期的盐藻细胞离心收集,并将等量盐藻细胞分别转
移到含有0.2 mmol/L NO3-,5 mmol/L NO3-,10 mmol/L NO3-的
培养基(其他成分与常规培养基相同)中培养3 h后,利用试
剂盒提取总RNA并进行反转录PCR. 通过半定量反转录分析
在不同硝酸盐浓度诱导条件下DsNRT2.1-1基因的表达情况.
结果表明,DsNRT2.1-1基因受低浓度的硝酸盐的诱导表达,
而高浓度的硝酸盐抑制其表达(图2). 从该实验结果可以推
测,DsNRT2.1-1属于高亲和性硝酸盐转运蛋白.
图2 DsNRT2.1-1基因在不同浓度硝酸盐诱导下的表达分析
Fig. 2 Expression analysis of DsNRT2.1-1 induced by different
nitrate concentrations
2.3 硝酸盐代谢产物对DsNRT2.1-1基因转录水平的
影响
将在常规条件下培养且处于对数生长期的盐藻细胞离
心收集,并转移到含有10. 0 mmol/L NH4+的培养基中培养3 h、
6 h、9 h、12 h、24 h. 半定量反转录PCR结果表明随着时间的
增加,DsNRT2.1-1基因的表达量逐渐降低(图3A). 而将盐藻
细胞转移到含有0.2 mmol/L NH4+的培养基中培养3 h、6 h、36
h,DsNRT2.1-1基因的表达量逐渐降低,但是培养36 h后,其
表达又被诱导,转录水平的表达量增加(图3B). 同样,将盐
藻细胞转移到含有1.0 mmol/L的天冬氨酸或谷氨酸的培养基
图3 DsNRT2.1-1基因的转录水平受NH4+的抑制表达
Fig. 3 The transcript abundance of DsNRT2.1-1 repressed
by NH4
+
A:10 mmol/L NH4+处理条件;B:0.2 mmol/L NH4+处理条件
A: treated with 10 mmol/L NH4
+; B: treated with 0.2 mmol/L NH4
+
图 1 DsNRT2.1-1和24个硝酸盐转运蛋白(NRT2)的部分序列比对图
Fig. 1 The alignment of DsNRT2.1-1 with 24 nitrate transporters
At:拟南芥;Bn:油菜;Cs:黄瓜;Ed: 水蕴草;Gm:大豆;Hv:大麦;Lj:百脉根;Me:木薯;Mh:海棠;Np:皱叶烟草:Nt:本生烟;Os:水稻;Pa:芦苇;Pp:小
立碗藓;Pt:毛果杨;Sl(Le):番茄;Sm:卷柏;So:菠菜;Ta:小麦;Zm:玉米;Ds:盐藻;Es:褐藻;Cr:莱茵衣藻;Vc:团藻. *标注为DsNRT2.1第64位氨基酸
At: Arabidopsis thaliana; Bn: Brassica napus; Cs: Cucumis sativus; Ed: Eqeria densa; Gm: Glycine max; Hv: Hordeum vulgare; Lj: Lotus japonicus;
Me: Manihot esculenta; Mh: Malus hupehensis; Np: Nicotiana plumbaginifolia; Nt: Nicotiana tabacum; Os: Oryza sativa; Pa: Phraqmites australis; Pp:
Physcomitrella patens; Pt: Populus trichocarpa; Sl: Solanum lycopersicum; Le: Lycopersicon esculentum; Sm: Selaqinella moellendorffii; So: Spinacia
oleracea; Ta: Triticum aestivum; Zm: Zea mays; Ds: Dunaliella salina; Es: Ectocarpus siliculosus; Cr: Chlamydomonas reinhardtii; Vc: Volvox carteri. * The
64th amino acid of DsNRT2.1 is marked with asterisk
*
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盐生杜氏藻硝酸盐转运蛋白基因的表达模式 2期
中培养3 h、6 h后,分析DsNRT2.1-1的转录水平的表达情况,
结果发现DsNRT2.1-1的表达量随着培养时间逐渐降低(图
4). 上述结果表明DsNRT2.1-1基因转录水平的表达受硝酸盐
代谢产物的反馈抑制.
图4 天冬氨酸和谷氨酸抑制DsNRT2.1-1基因的表达
Fig. 4 The transcriptional level of DsNRT2.1-1 repressed by
aspartic acid or glutamic acid
2.4 盐藻DsNRT2.1-1基因在高浓度NaCl下的表达情况
为了分析NaCl对DsNRT2.1-1表达的影响,将收集的盐藻
细胞转移到含有6.0 mol/L NaCl的培养基中培养3 h、6 h、9 h、
12 h、24 h、48 h. 用同样的方法研究DsNRT2.1-1的表达情况,
结果表明6.0 mol/L的NaCl对DsNRT2.1-1的诱导表达是一个缓
慢的过程,胁迫12 h之后才达到最大值,之后其表达逐渐降
低,至48 h,DsNRT2.1-1的表达仍然比胁迫前高,说明高盐胁
迫诱导DsNRT2.1-1基因的表达(图5).
图5 6.0 mol/LNaCl诱导DsNRT2.1-1基因的表达
Fig. 5 The transcriptional level of DsNRT2.1-1 induced by 6.0
mol/L NaCl
将PET28a-DsNRT2.1-1质粒和PET28a空载体分别转化大
肠杆菌BL21,并经过IPTG诱导表达DsNRT2.1-1. 含有PET28a-
DsNRT2.1-1的转化子能在含有0.69 mol/L NaCl的LB上生长(图
6A),而带有空载体的转化子没有任何菌落出现(图6B).
3 讨 论
与之前报道的盐藻硝酸盐转运蛋白基因D sN RT2 .1
(基因序列号AY621079.1)相比,从盐藻中克隆到的基因
DsNRT2.1-1(GeneBank登录号JN624759)仅在第64位上的氨
基酸有差异,前者是苯丙氨酸而后者是丝氨酸. 两者应该是
同一个基因. 为了确定盐藻硝酸盐转运蛋白第64位上的氨基
酸是苯丙氨酸还是丝氨酸,对该基因进行了4次重复克隆和
测序,结果都是丝氨酸 . 同时,从NBCI中选取了24种植物的
25个高亲和性硝酸盐转运蛋白(NRT2)序列进行比对分析,
发现这些序列的同源性很高,同源性高达66%,而且80%的序
列在DsNRT2.1-1第64位氨基酸位点上都是丝氨酸,只有少数
几个序列在此位点上不是丝氨酸. 因此,盐藻高亲和性硝酸
盐转运蛋白在该位点上应该是丝氨酸而不是苯丙氨酸.
图6 含有PET28a-DsNRT2.1-1的大肠杆菌具有盐耐受性
Fig. 6 Transformants expressing DsNRT2.1-1 acquired resistance
to 0.69 mol/L NaCl stress
A:含有PET28a-DsNRT2.1-1的大肠杆菌BL21;B:含有空PET28a空载体
的对照
A: transformants containing PET28a-DsNRT2.1-1; B: control containing only
PET28a
盐藻DsNRT2.1-1基因转录水平的表达量受低浓度的硝
酸盐诱导表达而高浓度的硝酸盐抑制其表达 . 贺庆华等也
发现盐藻硝酸盐转运蛋白基因DsNRT2.1受低浓度硝酸盐诱
导表达 [8]. 该结果说明盐藻DsNRT2.1-1是高亲和性硝酸盐转
运蛋白家族成员. 高亲和性硝酸盐转运蛋白受低浓度硝酸盐
诱导表达的研究结果也在其他植物中得到证实,如拟南芥中
DsNRT2.1受硝酸盐诱导表达 [3, 6, 9]. 烟草中高亲和性硝酸盐转
运蛋白基因Nrt2NP受低浓度的硝酸盐诱导而迅速表达 [10].
本研究首次报道硝酸盐代谢产物NH4+或氨基酸反馈抑
制盐藻高亲和性硝酸盐转运蛋白的表达 . 在培养基中添加
10.0 mmol/L NH4
+并培养3 h时,DsNRT2.1-1的表达量降低了
25%,但是培养6 h后,其表达量降低了70%,培养24 h后,其
表达量只有不加NH4+时的4%. 该结果说明高浓度的NH4+抑
制了DsNRT2.1-1的表达. 向培养体系中加入低浓度NH4+(0.2
mmol/L)并培养6 h后,DsNRT2.1-1的表达量仍然降低了,但
是培养36 h后,其表达量又升高了. 推测培养体系中NH4+被
消耗完了,DsNRT2.1-1的表达重新被培养体系中的硝酸盐所
诱导. 同样,在培养体系中加入1 mmol/L天冬氨酸或者谷氨
酸并培养一段时间后,DsNRT2.1-1的表达量也明显降低了. 这
也说明盐藻对氮营养代谢需求与高等植物是一致的,首先利
用还原态的氮,再利用氧化态的氮. 前期有很多证据表明植物
NRT2基因家族的表达受到氮代谢产物如NH4+和氨基酸的反
馈抑制,在烟草中,当加入谷氨酸后,根中NRT2基因的mRNA
的丰度下降了[10]. 在拟南芥中,当加入精氨酸或天冬氨酸或谷
氨酸后,AtNRT2.1的表达量分别下降了18%、38%和77% [5]. 当
235
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培养体系中加入谷氨酰胺、天冬氨酸、精氨酸和谷氨酸,在大
麦根中NO3-内流量和HvNRT2 的mRNA丰度都下降了[11].
在该研究中还发现DsNRT2.1-1 转录水平的表达受到
NaCl的 诱导,这与贺庆华等的研究结果 [8]是一致的. 相似的
结果也在冰叶日中花中得到证实,McNRT1受NaCl诱导表
达 [12]. 推测其受NaCl诱导表达的原因有二:一是吸收大量硝
酸盐提高细胞内的渗透势,以应对高盐胁迫;二是细胞在受
到胁迫时会产生脯氨酸来维持细胞正常的渗透势,而硝酸
盐是合成谷氨酸所必须的,谷氨酸又是合成脯氨酸所必须
的. 推测盐藻DsNRT2.1-1被高浓度NaCl诱导表达的原因也是
如此 . 而在12 h以后其表达量开始下降可能是由于细胞已经
在高盐胁迫下不能正常生长所导致的. 而且,本研究首次发
现在大肠杆菌中表达DsNRT2.1-1能增强大肠杆菌对盐胁迫
的耐受性. 将PET28a-DsNRT2.1-1质粒和PET28a空载体分别
转化大肠杆菌BL21,并经过IPTG诱导表达DsNRT2.1-1. 含有
PET28a-DsNRT2.1-1的转化子能在含有0.69 mol/L NaCl的LB上
生长(普通LB培养基中NaCl为0.17 mol/L),而带有空载体的
转化子没有任何菌落出现. 虽然表达了DsNRT2.1-1的大肠杆
菌的耐盐机制不是很清楚,但是该结果暗示盐藻硝酸盐转运
蛋白产生了高盐胁迫的适应,这为在农业耐盐育种中提供了
盐藻硝酸盐转运蛋白基因资源,以解决在高盐胁迫下作物对
氮吸收和转运的限制.
尽管硝酸盐吸收和转运的调控网络得到了很大程度上
的阐释,但是仍然还有很多问题亟待解决,比如是否还有其
他硝酸盐的受体存在?具有双重亲和性的硝酸盐转运蛋白
CHL也充当其他营养元素的受体?硝酸盐信号途径与盐信号
途径的关系是什么?盐藻中是否也存在类似CHL的双重亲和
性硝酸盐转运蛋白?是否可以将盐藻硝酸盐转运蛋白基因
应用于农业育种中?上述问题还需要进行深入研究.
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