全 文 :书柱花草磷转运蛋白犛犵犘犜1的克隆和表达分析
孙丽莉1,2,陈志坚2,刘攀道1,2,廖红2,刘国道1,田江2
(1.海南大学农学院 中国热带农业科学院品种资源研究所,海南 儋州571737;2.华南农业大学亚热带
农业生物资源保护与利用国家重点实验室根系生物学研究中心,广东 广州510642)
摘要:磷是植物生长所必需的大量元素。高亲和磷转运子是控制植物对磷吸收和转运的主要蛋白。本研究以磷高
效的柱花草基因型TPRC20011为对象,首先建立低磷胁迫下TPRC20011根系全长cDNA文库。通过同源克隆
的方法,首次克隆到编码柱花草高亲和磷转运蛋白的基因,犛犵犘犜1。该基因全长cDNA为1994bp,编码538个氨
基酸残基,蛋白分子量为59kD。SgPT1蛋白具有高亲和磷转运子的结构特点,即含有“6+6”跨膜结构。而且,定
量PCR分析结果表明低磷胁迫显著促进犛犵犘犜1在根部的表达,表明该基因可能参与低磷胁迫下磷的吸收和转运
的过程。总之,以上结果表明犛犵犘犜1的加强表达可能是TPRC20011适应低磷胁迫的分子机制之一,为进一步研
究柱花草适应低磷的分子机制提供候选基因。
关键词:柱花草;磷;磷转运子;同源克隆;犛犵犘犜1
中图分类号:Q943.2 文献标识码:A 文章编号:10045759(2013)04018710
犇犗犐:10.11686/cyxb20130423
磷是植物生长发育过程中必需的大量元素,参与植物光合作用、能量代谢和信号传导等过程[13]。但是,土壤
中磷有效性较低,难以满足植物生长的需要[4,5]。在长期进化过程中,植物形成了一系列适应低磷胁迫的机
制[6,7],包括改变根的形态构型及诱导高亲和磷转运子的表达,强化根系吸收根际有效磷[8];促进根系有机酸和
质子的分泌,活化并释放土壤中的难溶性磷[9];提高内源和外源酸性磷酸酶的活性,实现植物内部磷的再利用和
土壤中有机磷的活化等[10,11]。其中,调控磷转运子的表达是植物控制根际有效磷的吸收和转运的关键步骤,也
是植物适应低磷胁迫的主要分子机制之一[1214]。
植物的磷转运子主要分为3个家族,其中对高亲和力磷转运子PT1(Phosphatetransporter)家族的研究在许
多植物中都有报道,如水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)[1517]、玉米(犣犲犪犿犪狔狊)[18]、拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)[19]、苜蓿
(犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪)[20]、番茄(犔狔犮狅狆犲狉狊犻犮狅狀犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿)[21]、大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)[22]和短柄草(犅狉犪犮犺狔狆狅犱犻狌犿
犱犻狊狋犪犮犺狔狅狀)[23]等。PT1家族成员在结构上具有较高的保守性,如编码的蛋白分子量相似,约为58kD,包含
520~550个氨基酸残基;由12个亲脂的跨膜域(TM)组成,TM6和TM7之间有一个分布在细胞质中的亲水性
大环,形成“6亲水6”结构[2427]。
通过比较PT1家族中的不同成员的表达模式,发现大部分植物PT1家族的磷转运子在根中的表达量受低
磷胁迫的显著上调。例如,在水稻13个犘犜1基因家族成员中至少有10个在根部表达,其中犗狊犘犜2,犗狊犘犜6,
犗狊犘犜8等受低磷胁迫增强表达;拟南芥9个犘犜1基因中至少有8个在根部受低磷增强或诱导表达[15,16,28,29]。酵
母功能互补实验证明,大部分PT1家族成员介导酵母细胞膜的磷酸盐转运,为高亲和磷转运蛋白,并且超量或抑
制部分犘犜1基因家族成员的表达,能够影响磷的吸收与转运[17,27,30]。在水稻中,犗狊犘犜6通过酵母功能互补实验
证明为高亲和磷转运子,在主侧根的表皮细胞、皮层和维管组织均有表达,且干涉犗狊犘犜6的表达会降低根部及根
部向地上部磷的运输,暗示犗狊犘犜6可能参与从外界环境吸收磷并从根部向地上部的长距离运输[16]。在拟南芥
中,超量或抑制表达高亲和磷转运子犃狋犘犺狋1;5,导致地上部磷含量减少或增加,表明犃狋犘犺狋1;5可能参与从地上
第22卷 第4期
Vol.22,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
187-196
2013年8月
收稿日期:20120905;改回日期:20121015
基金项目:国家自然科学基金(31025022),国家重点基础研究973项目(2007CB108903)和中国农业产业体系专项基金(CARS35)资助。
作者简介:孙丽莉(1984),女,福建宁德人,博士。Email:lilionsun@163.com
通讯作者。Email:jtian@scau.edu.cn
部向根部运输磷的过程[31]。在大豆中,犌犿犘犜5的启动子GUS分析表明,犌犿犘犜5在新形成的根瘤中,在根瘤与
根交界处表达较强,而在成熟根瘤中,主要在根瘤的维管束中表达较强,表明犌犿犘犜5可能参与了磷从植株根部
向根瘤的转运[32]。苜蓿犕狋犘犜4功能的丧失会抑制AM 菌根的形成和对磷的吸收,表明犕狋犘犜4对共生体系的
形成和菌根菌对磷的吸收起重要作用[33]。
柱花草(犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊)是重要的热带牧草,喜高温,耐瘦瘠土壤,主要种植于热带和亚热带酸性土
壤区,柱花草对酸性低磷土壤具有良好的适应性[34,35]。但是,柱花草响应低磷酸性土壤的分子机制尚不清楚。
前期的研究结果表明柱花草基因型TPRC20011具有较高的磷吸收和利用效率[36]。本研究以TPRC20011为
供试材料,首先建立低磷胁迫下TPRC20011根部全长cDNA文库,同源克隆出柱花草第一个磷转运子犛犵犘犜1,
并对其进行生物信息学和表达模式分析,为进一步研究柱花草响应低磷的分子机制提供候选基因。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 植物 柱花草TPRC20011,由中国热带农业科学院品种资源研究所牧草中心提供。
1.1.2 试剂材料 cDNA文库试剂盒购自Stratagene公司,Trizol购自Invitrogen公司,Taq酶、克隆载体
pMD18T、SYBRGreen定量试剂盒购自Takara公司,cDNA反转录试剂盒购自Promega公司,DNAmarker购
自美津生物技术有限公司。
1.2 方法
1.2.1 植物材料处理 供试材料于2008年9月在华南农业大学根系中心温室培养。柱花草TPRC20011种子
去种壳后经10% NaClO消毒,播入石英砂中,在25℃暗室催芽,长出第一对真叶后移栽至14L塑料盆中于温室
进行营养液栽培。培养温度为28℃/25℃(昼/夜),湿度75%,营养液为1/2Hoagland溶液[37]。待幼苗正常生
长1个月后,进行高磷(250μmol/L)和低磷(5μmol/L)处理,2个月后收获样品。收获地上部和根部样品用于测
磷,部分根部样品用于提取RNA,建立全长cDNA文库和分析表达模式。每个处理设4个重复。
1.2.2 磷浓度测定 地上部和根部样品于105℃杀青30min后,75℃烘干至恒重,600℃灰化10h后采用钼锑
抗显色法测定磷含量[38]。
1.2.3 cDNA文库建立 柱花草TPRC20011低磷处理后的根部提取RNA,参照cDNA文库试剂盒构建全长
cDNA文库[39]。5μgPoly(A+)RNA反转成cDNA,补平末端后,连接上犈犮狅犚I接头。犡犺狅I酶切后,利用
SpharoseCL2B柱依大小分离回收DNA,并将接有犈犮狅犚I和犡犺狅I双接头的cDNA包装入UniZAPXR噬菌体
颗粒中。
1.2.4 犛犵犘犜1全长克隆和序列分析 根据磷转运子
保守结构域设计引物犛犵犘犜1ESTF与犛犵犘犜1EST
R(表1),通过扩增获得EST序列。根据EST序列设
计特异引物犛犵犘犜1T7F与犛犵犘犜1T3R(表1),分
别与 通 用 引 物 T7 和 T3 配 对,以 低 磷 胁 迫 下
TPRC20011根部全长cDNA文库为模板,扩增犛犵
犘犜1的3′端和5′端序列,测序并分析序列后,用
MEGA4.1软件拼接序列全长,其序列已经递交到
NCBI(登录号:JX560965)。根据5′和3′端UTR序列
设计基因全长引物犛犵犘犜1fulF 和犛犵犘犜1fulR
(表1),PCR扩增后测序获得犛犵犘犜1全长序列。蛋
白序列分析采用DNAstar7.1.0软件,亚细胞定位预
测采用 WoLFPSORT软件,进化树分析采用 MEGA
4.1软件NeighborJoining法,跨膜结构域分析采用
表1 用于克隆犛犵犘犜1和实时荧光定量分析的引物序列
犜犪犫犾犲1 犘狉犻犿犲狉狊犳狅狉犛犵犘犜1犮犾狅狀犻狀犵犪狀犱狇犚犜犘犆犚犪狀犪犾狔狊犻狊
引物名称Primername 引物序列 (5′3′)Sequence(5′3′)
犛犵犘犜1ESTF CACGGCTTGCACTTGTTGG
犛犵犘犜1ESTR CTTTACCTGCAGCAGCTGAGAT
T3 ATTAACCCTCACTAAAGGGA
犛犵犘犜1T3R ATAGGGCAATGAGTGTTTGT
T7 TAATACGACTCACTATAGGG
犛犵犘犜1T7F GATCACATGGGACGTTTC
犛犵犘犜1fulF ATCAGAATTAGAGATGTCAGGACAACA
犛犵犘犜1fulR CCAATATATTCAGTTACAGTCTTACAG
犛犵犘犜1QF AGCACAAACACTCATTGCCCTAT
犛犵犘犜1QR ACCACAAACCCAATTCTGTTCTC
犛犵犈犉1QF CACTTCAGGACGTGTACAAGATC
犛犵犈犉1QR CTTGGAGAGCTTCATGGTGCA
881 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
TMpred在线软件,氨基酸序列比对用GeneDoc2.0软件,磷酸化位点分析采用NetPhos2.0Server在线软件。
1.2.5 实时荧光定量PCR分析犛犵犘犜1表达量 根部样品用Trizol法(参考Invitrogen公司试剂盒说明书)提
取RNA,并用cDNA反转录试剂盒反转录成cDNA。实时荧光定量PCR参照SYBRGreen定量试剂盒说明书
方法进行,用RotorGene3000qRTPCR系统(CorbettResearch,Australia)运行及RealTimeAnalysisSoft
ware6.0计算分析每个样品的表达量。相对表达量为目的基因的表达量与看家基因表达量的比值。犛犵犘犜1定
量引物为犛犵犘犜1QF和犛犵犘犜1QR(表1),看家基因引物为犛犵犈犉1QF和犛犵犈犉1QR(表1)。
1.3 数据统计分析
所有数据均用 MicrosoftOfficeExcel2003进行处理,采用SPSS分析系统(11.5v)进行狋测验统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同磷水平对柱花草磷浓度的影响
图1 高低磷处理对柱花草犜犘犚犆20011
地上部和根部磷浓度的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犘狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊狅狀犘犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狊
犻狀狋犺犲狊犺狅狅狋狊犪狀犱狉狅狅狋狊狅犳狊狋狔犾狅犜犘犚犆20011
:表示处理间差异显著(0.001<犘<0.01),下同。indicate
significantdifferencesbetweentwotreatmentsin狋tests(0.001<犘<
0.01).Thesamebelow.
图2 犛犵犘犜1全长犮犇犖犃的克隆
犉犻犵.2 犉狌犾犾犲狀犵狋犺犮犾狅狀犲狅犳犛犵犘犜1
M为DM2000marker,a为3端扩增结果,b为5端扩增结果,c为全
长cDNA扩增结果。MindicatesDM2000marker;lanea,b,cisPCR
productof3′terminal,5′terminalandfullengthof犛犵犘犜1,respec
tively.
柱花草TPRC20011正常生长1个月后进行高
磷(250μmol/L)和低磷(5μmol/L)处理,结果表明
(图1),高低磷处理显著影响柱花草TPRC20011地
上部 和 根 部 的 磷 浓 度。低 磷 处 理 显 著 降 低 了
TPRC20011地上部和根部的磷浓度,分别只为高磷
条件下的26%和32%。
2.2 柱花草磷转运子犛犵犘犜1的同源克隆
为了克隆柱花草的编码高亲和磷转运子的基因,
根据已报道的高亲和磷转运子保守结构域设计引物,
同源克隆获得柱花草犛犵犘犜1基因的471bpEST序
列。根据获得的EST序列设计正向和反向特异引物,
分别与通用引物T3和T7配对,以低磷胁迫下柱花草
TPRC20011根部的全长cDNA文库为模板,扩增出
犛犵犘犜1的3′端序列和5′端序列(图2)。犛犵犘犜1基因
全长cDNA为1994bp,其中5′端和3′端UTR序列
分别为118bp和259bp,其开放阅读框为1617bp。
经预测,犛犵犘犜1编码538个氨基酸残基,蛋白的分子
量为59kD,等电点为8.93。运用 WoLFPSORT预
测SgPT1的亚细胞定位,分析结果表明,SgPT1可能
与大多数磷转运蛋白一样定位在细胞质膜上。
2.3 进化树分析
采用 MEGA4.1软件,将SgPT1与其他植物已
知功能的PT1磷转运蛋白构建系统进化树,分析表
明,PT1家族可以分为4个亚家族(图3)。柱花草Sg
PT1属于亚族Ⅰ,与豆科植物百脉根LjPT1高亲和磷
转运蛋白同源性最高,氨基酸序列相似性为86.8%
(图3)。
2.4 保守结构域分析
采用TMpred软件分析SgPT1的跨膜结构域,分
析表明SgPT1具备磷转运子的特征,含有12个跨膜
结构域,并且可能是高亲和磷转运子,即在第6个和第
981第22卷第4期 草业学报2013年
图3 犛犵犘犜1与其他植物犘犜转运蛋白的系统进化树分析
犉犻犵.3 犘犺狔犾狅犵犲狀犲狋犻犮狋狉犲犲狅犳犛犵犘犜1狑犻狋犺狊狅犿犲狊犲犾犲犮狋犲犱犘犜狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀狆犾犪狀狋狊
At为拟南芥,Gm为大豆,La为白羽扇豆,Le为番茄,Lj为百脉根,Mt为苜蓿,Os为水稻,St为马铃薯,Ta为小麦。GeneBank注册号:AtPht1;
1,NP_199149;AtPht1;2,NP_199151;AtPht1;3,NP_199150;AtPht1;4,NP_181428;AtPht1;5,NP_180842;AtPht1;6,NP_199148;AtPht1;7,NP_
191030;AtPht1;8,NP_173510;AtPht1;9,NP_177769;GmPT1,ACP19343;GmPT2,ACP19342;GmPT3,ACP19347;GmPT4,AFL02620;GmPT5,
ACP19340;GmPT6,ACP19339;GmPT7,ACP19341;GmPT8,ACP19346;GmPT9,ACP19344;GmPT10,ACP19345;GmPT11,AFL02621;
GmPT12,ACP19338;GmPT13,ACN80147;GmPT14,AFL02622;LaPT1,AAK38196;LePT1,AAB82146;LePT2,AAB82147;LePT4,AAX85192;
LjPT1,BAE93351;LjPT2,BAE93352;LjPT3,BAE93353;MtPT1,AAB81346;MtPT2,AAB81347;MtPT4,AAM76743;OsPT1,Q8H6H4;OsPT2,
NP_001048979;OsPT3,Q7XDZ7;OsPT4,Q01MW8;OsPT5,NP_001052193;OsPT6,NP_001062527;OsPT7,NP_001048893;OsPT8,NP_
001064708;OsPT9,Q8H6G7;OsPT10,NP_001174761;OsPT11,NP_001043759;OsPT12,NP_001048976;OsPT13,NP_001052195;StPT1,
CAA67395;StPT2,CAA67396;StPT3,CAC87043;TaPT2,CAC69855。
Abbreviationsforplantspecies:At,犃.狋犺犪犾犻犪狀犪;Gm,犌.犿犪狓;La,犔狌狆犻狀狌狊犪犾犫狌狊;Le,犔.犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿;Lj,犔狅狋狌狊犼犪狆狅狀犻犮犪狊;Mt,犕犲犱犻犮犪犵狅
狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪;Os,犗.狊犪狋犻狏犪;St,犛狅犾犪狀狌犿狋狌犫犲狉狅狊狌犿;Ta,犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿.AccessionnumbersinGenBank:AtPht1;1,NP_199149;AtPht1;2,
NP_199151;AtPht1;3,NP_199150;AtPht1;4,NP_181428;AtPht1;5,NP_180842;AtPht1;6,NP_199148;AtPht1;7,NP_191030;AtPht1;8,
NP_173510;AtPht1;9,NP_177769;GmPT1,ACP19343;GmPT2,ACP19342;GmPT3,ACP19347;GmPT4,AFL02620;GmPT5,ACP19340;
GmPT6,ACP19339;GmPT7,ACP19341;GmPT8,ACP19346;GmPT9,ACP19344;GmPT10,ACP19345;GmPT11,AFL02621;GmPT12,
ACP19338;GmPT13,ACN80147;GmPT14,AFL02622;LaPT1,AAK38196;LePT1,AAB82146;LePT2,AAB82147;LePT4,AAX85192;
LjPT1,BAE93351;LjPT2,BAE93352;LjPT3,BAE93353;MtPT1,AAB81346;MtPT2,AAB81347;MtPT4,AAM76743;OsPT1,Q8H6H4;
OsPT2,NP_001048979;OsPT3,Q7XDZ7;OsPT4,Q01MW8;OsPT5,NP_001052193;OsPT6,NP_001062527;OsPT7,NP_001048893;Os
PT8,NP_001064708;OsPT9,Q8H6G7;OsPT10,NP_001174761;OsPT11,NP_001043759;OsPT12,NP_001048976;OsPT13,NP_
001052195;StPT1,CAA67395;StPT2,CAA67396;StPT3,CAC87043;TaPT2,CAC69855.
091 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
7个跨膜区之间(TM6~TM7)具有亲水环结构(图4)。
图4 犛犵犘犜1的跨膜结构域分析
犉犻犵.4 犘狉犲犱犻犮狋犻狅狀狅犳狋狉犪狀狊犿犲犿犫狉犪狀犲狉犲犵犻狅狀狊
采用GeneDoc软件进行多序列比对的结果表明,不同
物种间的PT1磷转运子相似性很高,均具有12个跨
膜 结 构 域 和 1 个 特 征 保 守 序 列 GGDYPLSA
TIMSE[24,40](图5)。
2.5 磷酸化位点分析
磷酸化是蛋白质最重要的翻译后修饰之一,调控
着信号传导,蛋白互作、降解、定位等过程,对磷转运蛋
白活性也有调节作用。采用NetPhos对SgPT1蛋白
质序列进行磷酸化位点分析,表明,SgPT1有20个位
点可能的磷酸化位点(>0.5),其中包括10个丝氨酸
磷酸化位点,6个苏氨酸磷酸化位点,4个酪氨酸磷酸
化位点(图6)。
2.6 低磷胁迫对柱花草犛犵犘犜1表达的影响
高低磷处理2个月后,柱花草TPRC20011植株的磷浓度出现显著差异(图1),本研究进一步对高低磷处理
后的TPRC20011根部cDNA进行表达分析,结果表明,犛犵犘犜1基因在高低磷处理的根部中均有表达,低磷处理
显著增强犛犵犘犜1在根部的表达量,为高磷条件下的2倍(图7),犛犵犘犜1在高低磷条件下的不同表达量,表明
犛犵犘犜1在不同外源磷条件下可能具有不同的功能。
3 讨论
缺磷是酸性土壤中限制作物生长的主要因素,植物在进化过程中形成了一系列适应低磷的机制[6,7]。近年
来,对磷转运蛋白的研究较为广泛。PT1家族磷转运蛋白主要是膜蛋白,在植物吸收和转运磷的过程中起着重
要的作用[13,28,41]。研究发现,在不同的物种中犘犜1基因家族成员数目差异较大,在拟南芥中有9个犘犜1基因家
族成员[42,43],大豆有14个犘犜1基因[22],水稻有13个犘犜1基因[44]。植物PT1磷转运蛋白同源性很高,蛋白结
构相似,且大部分都属于高亲和磷转运子[12,45,46]。本研究利用同源克隆的方法,首次克隆到柱花草中编码高亲和
磷转运子的基因犛犵犘犜1。SgPT1的蛋白特性和结构性质均具备高亲和磷转运子的特点,含有12个跨膜结构域
和1个特征保守序列(图4,5),并且亚细胞定位预测其可能与其他物种PT1高亲和磷转运子相似,定位于细胞质
膜上。同时,在系统进化树中,SgPT1所在的亚家族Ⅰ磷转运蛋白大部分已通过酵母突变体互补实验,证明为高
亲和力磷转运蛋白,如AtPht1:4,GmPT5,MtPT1和StPT1等[29,32,47,48]。因此,预测SgPT1可能为高亲和磷转
运子。
已有报道表明,低磷胁迫能够增强植物PT1基因家族成员在根部的表达量,这在磷的吸收和转运中具有重
要作用[16,29,49]。在系统进化树中,SgPT1所在的亚家族Ⅰ主要是在根部受低磷诱导表达,如犃狋犘犺狋1;4,犕狋犘犜1,
犕狋犘犜2和犛狋犘犜2等[29,48,50]。而与犛犵犘犜1相近且已有研究报道的犔犼犘犜1、犕狋犘犜1和犕狋犘犜2主要在根部表达,
并且菌根菌侵染能够抑制这些基因的表达[50,51],暗示SgPT1可能具有相似的功能。亚家族Ⅱ主要为单子叶植
物,在这个亚族中,水稻的4个基因功能都具有不同的特点,犗狊犘犜2和犗狊犘犜6在根部受低磷诱导表达,但OsPT6
为高亲和磷转运蛋白,主要负责磷的吸收;OsPT2为低亲和磷转运蛋白,主要参与磷从根部向地上部长距离运
输[16,52]。犗狊犘犜1和犗狊犘犜8的表达不受磷的调控,但对植株体内磷的平衡起到十分重要的作用[53,54]。在亚家族
Ⅲ中,犕狋犘犜4,犔犲犘犜4,犗狊犘犜11,犗狊犘犜13则在根部受菌根菌的侵染增强表达[44,55,56]。亚家族IV中的犃狋犘犺狋1;8,
犃狋犘犺狋1;9在拟南芥根部受到低磷胁迫增强表达,而水稻中的犗狊犘犜9和犗狊犘犜10与水稻的其他家族成员相比,由
于缺少基序6,因此预测其可能具有不同的功能[15,42,57]。由此可见,基因家族成员不同的表达模式很大程度上决
定了该蛋白可能具有的生物功能。对犛犵犘犜1进行表达模式分析发现,在高低磷处理下犛犵犘犜1均有表达,且低
磷处理显著增强犛犵犘犜1在根部的表达量(图7),与进化树中亚家族Ⅰ的犃狋犘犺狋1;1,犃狋犘犺狋1;4相似。犃狋犘犺狋1;1
和犃狋犘犺狋1;4在低磷条件下能促进植物从外界吸收更多磷,在高磷条件下双突变这2个基因会导致吸收磷的能
191第22卷第4期 草业学报2013年
图5 犛犵犘犜1与其他植物的犘犜1磷转运子多序列比对
犉犻犵.5 犃犾犻犵狀犿犲狀狋狅犳犪犿犻狀狅犪犮犻犱狊犲狇狌犲狀犮犲狅犳犛犵犘犜1狑犻狋犺狊狅犿犲狊犲犾犲犮狋犲犱犘犜1狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀狆犾犪狀狋狊
Le为番茄,Lj为百脉根,Mt为苜蓿,St为马铃薯。横线标注为12个保守跨膜结构域,框标注为磷转运子蛋白特征保守序列GGDYPLSATIMSE。
Le,犔.犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿;Lj,犔狅狋狌狊犼犪狆狅狀犻犮犪狊;Mt,犕.狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪;St,犛狅犾犪狀狌犿狋狌犫犲狉狅狊狌犿.12membranespanningdomainsofPTsarehighlightedbyun
derlines.Thesequenceswithboxaresignaturesequences(GGDYPLSATIMSE)ofPT1family.
291 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
图6 犛犵犘犜1氨基酸序列的磷酸化位点分析
犉犻犵.6 犘狅狊狆犺狅狉狔犾犪狋犻狅狀狊犻狋犲犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犛犵犘犜1犪犿犻狀狅犪犮犻犱狊犲狇狌犲狀犮犲
力降低。柱花草TPRC20011是磷高效基因型,具有
图7 犛犵犘犜1在犜犘犚犆20011根部的表达分析
犉犻犵.7 犈狓狆狉犲狊狊犻狅狀狅犳犛犵犘犜1犻狀犜犘犚犆20011狉狅狅狋
较高的磷利用效率[36],在高磷条件下犛犵犘犜1的表达
可能是TPRC20011具有较高磷吸收效率的分子机制
之一,在低磷条件下犛犵犘犜1的增强表达,可能可以提
高TPRC20011适应低磷胁迫的能力。Jia等[54]研究
发现,在水稻中超量表达犗狊犘犜8,能够促进地上部和
根部磷的吸收;同时,Mitsukawa等[12]在烟草中超量
表达拟南芥的犘犎犜1,能显著提高低磷条件下烟草对
磷的吸收和转运能力,并提高生物量。但是,柱花草
犛犵犘犜1基因如何提高植株对磷吸收和利用的功能仍
需作进一步的研究。
PT1磷转运蛋白在转录水平的调控,主要表现在基因的启动子与转录因子的互作[58,59]。研究表明,大麦
犎狏犘犺狋1;1启动子区域的P1BS元件去除后,犎狏犘犺狋1;1对缺磷胁迫不敏感[60];水稻中含有 MYB结构域的犗狊
犘犎犚1基因超量表达后,在磷充足的条件下,一些犗狊犘犜基因也能够上调表达,并造成地上部磷累积过量[54]。此
外,PT1家族磷转运蛋白的活性也受到蛋白质修饰的调节,特别是磷酸化。SgPT1有17个磷酸化位点,表明Sg
PT1转运蛋白的活性可能还受磷酸化调控,但柱花草如何通过磷酸化调节SgPT1表达也还需要进一步实验论
证。
参考文献:
[1] 方子森,高凌花,张恩和,等.人工施用氮肥、磷肥对宽叶羌活产量和质量的影响[J].草业学报,2010,19(4):5460.
[2] 杨治平,张强,周怀平,等.不同施磷水平对饲用柠条营养和产量的影响[J].草业学报,2010,19(2):103108.
[3] 任立飞,张文浩,李衍素.低磷胁迫对黄花苜蓿生理特性的影响[J].草业学报,2012,21(3):242249.
[4] RichardsonAE,HockingPJ,SimpsonRJ,犲狋犪犾.Plantmechanismstooptimiseaccesstosoilphosphorus[J].CropandPas
tureScience,2007,60(2):124143.
[5] RaghothamaKG.Phosphateacquisition[J].AnnualReviewofPlantPhysiologyandPlantMolecularBiology,1999,50:665
693.
[6] TianJ,WangXR,TongYP,犲狋犪犾.Bioengineeringandmanagementforefficientphosphorusutilizationincropsandpastures[J].
CurrentOpinioninBiotechnology,2012,23:16.
[7] WangXR,ShenJB,LiaoH.Acquisitionorutilization,whichismorecriticalforenhancingphosphorusefficiencyinmodern
crops[J].PlantScience,2010,179(4):302306.
391第22卷第4期 草业学报2013年
[8] LynchJP.Rootphenesforenhancedsoilexplorationandphosphorusacquisition:toolsforfuturecrops[J].PlantPhysiology,
2011,156(3):10411049.
[9] QinL,JiangH,TianJ,犲狋犪犾.Rhizobiaenhanceacquisitionofphosphorusfromdifferentsourcesbysoybeanplants[J].Plant
andSoil,2011,349:2536.
[10] WangXR,WangYX,TianJ,犲狋犪犾.OverexpressingAtPAP15enhancesphosphorusefficiencyinsoybean[J].PlantPhysi
ology,2009,151(1):233240.
[11] LiangCY,TianJ,LamHM,犲狋犪犾.BiochemicalandmolecularcharacterizationofPvPAP3,anovelpurpleacidphosphatase
isolatedfromcommonbeanenhancingextracelularATPutilization[J].PlantPhysiology,2010,152(2):854865.
[12] MitsukawaN,OkumuraS,ShiranoY,犲狋犪犾.Overexpressionofan犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪highaffinityphosphatetransporter
geneintobaccoculturedcelsenhancescelgrowthunderphosphatelimitedconditions[J].ProceedingsoftheNationalAcade
myofSciences,USA,1997,94(13):70987102.
[13] RauschC,BucherM.Molecularmechanismsofphosphatetransportinplants[J].Planta,2002,216(1):2337.
[14] SmithFW,RaeAL,HawkesfordMJ.Molecularmechanismsofphosphateandsulphatetransportinplants[J].Biochimica
etBiophysicaActa,2000,1465(12):236245.
[15] LiuF,ChangXJ,YeY,犲狋犪犾.Comprehensivesequenceandwholelifecycleexpressionprofileanalysisofthephosphate
transportergenefamilyinrice[J].MolecularPlant,2011,4(6):11051122.
[16] AiP,SunS,ZhaoJ,犲狋犪犾.Tworicephosphatetransporters,OsPht1;2andOsPht1;6,havedifferentfunctionsandkinetic
propertiesinuptakeandtranslocation[J].ThePlantJournal,2009,57(5):798809.
[17] 高佳,刘雄伦,刘玲,等.水稻磷酸盐转运蛋白Pht1家族研究进展[J].中国农学通报,2009,25(15):3134.
[18] NagyR,VasconcelosMJ,ZhaoS,犲狋犪犾.DifferentialregulationoffivePht1phosphatetransportersfrommaize(犣犲犪犿犪狔狊
L.)[J].PlantBiology,2006,8(2):186197.
[19] MudgeSR,RaeAL,DiatloffE,犲狋犪犾.ExpressionanalysissuggestsnovelrolesformembersofthePht1familyofphos
phatetransportersin犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊[J].ThePlantJournal,2002,31(3):341353.
[20] LiuJ,VersawW K,PumplinN,犲狋犪犾.Closelyrelatedmembersofthe犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪PHT1phosphatetransporter
genefamilyencodephosphatetransporterswithdistinctbiochemicalactivities[J].JournalofBiologicalChemistry,2008,
283(36):2467324681.
[21] LiuC,MuchhalUS,UthappaM,犲狋犪犾.Tomatophosphatetransportergenesaredifferentialyregulatedinplanttissuesby
phosphorus[J].PlantPhysiology,1998,116(1):9199.
[22] TamuraY,KobaeY,MizunoT,犲狋犪犾.Identificationandexpressionanalysisofarbuscularmycorrhizainduciblephosphate
transportergenesofsoybean[J].BioscienceBiotechnologyandBiochemistry,2012,76(2):309313.
[23] 马彩艳,刘冬成,阳文龙,等.短柄草磷转运蛋白家族基因的克隆及表达分析[J].分子植物育种,2011,9(4):482490.
[24] KarandashovV,BucherM.Symbioticphosphatetransportinarbuscularmycorrhizas[J].TrendsinPlantScience,2005,
10(1):2229.
[25] DaramP,BrunnerS,PerssonBL,犲狋犪犾.Functionalanalysisandcelspecificexpressionofaphosphatetransporterfromto
mato[J].Planta,1998,206(2):225233.
[26] SaierMH.Familiesofproteinsformingtransmembranechannels[J].JournalofMembraneBiology,2000,175(3):165180.
[27] 杨存义,刘灵,沈宏,等.植物Pht1家族磷转运子的分子生物学研究进展[J].分子植物育种,2006,4(2):153159.
[28] MuchhalUS,PardoJM,RaghothamaKG.Phosphatetransportersfromthehigherplant犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪[J].Pro
ceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA,1996,93(19):1051910523.
[29] MissonJ,ThibaudMC,BechtoldN,犲狋犪犾.Transcriptionalregulationandfunctionalpropertiesof犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊Pht1;4,a
highaffinitytransportercontributinggreatlytophosphateuptakeinphosphatedeprivedplants[J].PlantMolecularBiology,
2004,55(5):727741.
[30] 段海燕,徐芳森,王运华.植物体内磷转运子的研究进展[J].华中农业大学学报,2001,20(5):506510.
[31] NagarajanVK,JainA,PolingMD,犲狋犪犾.犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊Pht1;5mobilizesphosphatebetweensourceandsinkorgansandin
fluencestheinteractionbetweenphosphatehomeostasisandethylenesignaling[J].PlantPhysiology,2011,156(3):1149
491 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
1163.
[32] QinL,ZhaoJ,TianJ,犲狋犪犾.ThehighaffinityphosphatetransporterGmPT5regulatesphosphatetransporttonodulesand
nodulationinsoybean[J].PlantPhysiology,2012,159(4):16341643.
[33] JavotH,PenmetsaRV,TerzaghiN,犲狋犪犾.A犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪phosphatetransporterindispensableforthearbuscular
mycorrhizalsymbiosis[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA,2007,104(5):17201725.
[34] LiuGD,PhaikaewC,StürW W.Statusof犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊developmentinothercountries.II.犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊developmentand
utilizationinChinaandsoutheastAsia[J].TropicalGrasslands,1997,31:460466.
[35] NobleAD,OrrDM,MiddletonCH,犲狋犪犾.Legumesinnativepastureassetorliability?Acasehistorywithstylo[J].
TropicalGrasslands,2000,34:199206.
[36] DuYM,TianJ,LiaoH,犲狋犪犾.Aluminiumtoleranceandhighphosphorusefficiencyhelps犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊betteradapttolow
Pacidsoils[J].AnnalsofBotany,2009,103(8):12391247.
[37] 陈志坚,严炜,孙丽莉,等.锰毒对柱花草苗期生长及铁镁吸收的影响[J].热带作物学报,2011,32(1):142146.
[38] MurphyJ,RileyJR.Amodifiedsinglesolutionmethodforthedeterminationofphosphateinnaturalwaters[J].Analytica
ChimicaActa,1962,27(1):3136.
[39] TianJ,VenkatachalamP,LiaoH,犲狋犪犾.Molecularcloningandcharacterizationofphosphorusstarvationresponsivegenesin
commonbean(犘犺犪狊犲狅犾狌狊狏狌犾犵犪狉犻狊L.)[J].Planta,2007,227(1):151165.
[40] 李立芹.农作物Pht1家族磷转运体蛋白的生物信息学分析[J].作物杂志,2011,(3):2024.
[41] YangCY,LiuL,ShenH,犲狋犪犾.AdvancesinthemolecularbiologyofPht1familyphosphatetransportersinplants[J].Mo
lecularPlantBreeding,2006,4(2):153159.
[42] ShinH,ShinHS,DewbreGR,犲狋犪犾.Phosphatetransportin犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊:Pht1;1andPht1;4playamajorroleinphos
phateacquisitionfrombothlowandhighphosphateenvironments[J].ThePlantJournal,2004,39(4):629642.
[43] SmithFW,MudgeSR,RaeAL,犲狋犪犾.Phosphatetransportinplants[J].PlantandSoil,2003,248:7183.
[44] PaszkowskiU,KrokenS,RouxC,犲狋犪犾.Ricephosphatetransportersincludeanevolutionarilydivergentgenespecificalyac
tivatedinarbuscularmycorrhizalsymbiosis[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA,2002,99(20):
1332413329.
[45] MingF,LuQ,WangW,犲狋犪犾.Cloning,expressionandfunctionofphosphatetransporterencodedgenein犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪
L[J].ScienceinChinaSeriesCLifeSciences,2006,49(5):409413.
[46] KarthikeyanAS,VaradarajanDK,MukatiraUT,犲狋犪犾.Regulatedexpressionof犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊phosphatetransporters[J].
PlantPhysiology,2002,130(1):221233.
[47] ChiouTJ,LiuH,HarrisonMJ.Thespatialexpressionpatternsofaphosphatetransporter(MtPT1)from犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀
犮犪狋狌犾犪indicatearoleinphosphatetransportattheroot/soilinterface[J].ThePlantJournal,2001,25(3):281293.
[48] LeggewieG,WilmitzerL,RiesmeierJW.TwocDNAsfrompotatoareabletocomplementaphosphateuptakedeficient
yeastmutant:identificationofphosphatetransportersfromhigherplants[J].ThePlantCel,1997,9(3):381392.
[49] RemyE,CabritoTR,BatistaRA,犲狋犪犾.ThePht1;9andPht1;8transportersmediateinorganicphosphateacquisitionby
the犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪rootduringphosphorusstarvation[J].NewPhytologist,2012,195(2):356371.
[50] LiuH,TrieuAT,BlaylockLA,犲狋犪犾.Cloningandcharacterizationoftwophosphatetransportersfrom犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌
犾犪roots:regulationinresponsetophosphateandtocolonizationbyarbuscularmycorrhizal(AM)fungi[J].MolecularPlant
MicrobeInteractions,1998,11(1):1422.
[51] MaedaD,AshidaK,IguchiK,犲狋犪犾.Knockdownofanarbuscularmycorrhizainduciblephosphatetransportergeneof犔狅狋狌狊
犼犪狆狅狀犻犮狌狊suppressesmutualisticsymbiosis[J].PlantandCelPhysiology,2006,47(7):807817.
[52] 郭强,孙淑斌,LingY,等.水稻中的磷转运蛋白基因在异源表达系统中的功能分析[J].中国水稻科学,2008,22(3):
227233.
[53] SunSB,GuM,CaoY,犲狋犪犾.Aconstitutiveexpressedphosphatetransporter,OsPht1;1,modulatesphosphateuptakeand
translocationinPhosphaterepleterice[J].PlantPhysiology,2012,159(4):15711581.
[54] JiaHF,RenHY,GuM,犲狋犪犾.Thephosphatetransportergene犗狊犘犺狋1;8isinvolvedinphosphatehomeostasisinrice[J].
591第22卷第4期 草业学报2013年
PlantPhysiology,2012,156(3):11641175.
[55] JavotH,PenmetsaRV,BreuilinF,犲狋犪犾.犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪犿狋狆狋4mutantsrevealarolefornitrogenintheregulationof
arbusculedegenerationinarbuscularmycorrhizalsymbiosis[J].ThePlantJournal,2011,68(6):954965.
[56] XuGH,ChagueV,MelamedBessudoC,犲狋犪犾.Functionalcharacterizationof犔犲犘犜4:aphosphatetransporterintomato
withmycorrhizaenhancedexpression[J].JournalofExperimentalBotany,2007,58(10):24912501.
[57] RemyE,CabritoTR,BatistaRA,犲狋犪犾.ThePht1;9andPht1;8transportersmediateinorganicphosphateacquisitionby
the犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪rootduringphosphorusstarvation[J].NewPhytologist,2012,195(2):356371.
[58] ChenAQ,GuM,SunSB,犲狋犪犾.Identificationoftwoconservedcisactingelements,MYCSandP1BS,involvedinthereg
ulationofmycorrhizaactivatedphosphatetransportersineudicotspecies[J].NewPhytologist,2011,189(4):11571169.
[59] BariR,DattPantB,StittM,犲狋犪犾.PHO2,microRNA399,andPHR1defineaphosphatesignalingpathwayinplants[J].
PlantPhysiology,2006,141(3):988999.
[60] SchunmannPH,RichardsonAE,VickersCE,犲狋犪犾.Promoteranalysisofthebarley犘犺狋1;1phosphatetransportergenei
dentifiesregionscontrolingrootexpressionandresponsivenesstophosphatedeprivation[J].PlantPhysiology,2004,
136(4):42054214.
犆犾狅狀犻狀犵犪狀犱犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狋犺犲狆犺狅狊狆犺犪狋犲狋狉犪狀狊狆狅狉狋犲狉狆狉狅狋犲犻狀犛犵犘犜1犳狉狅犿犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊
SUNLili1,2,CHENZhijian2,LIUPandao1,2,LIAOHong2,LIUGuodao1,TIANJiang2
(1.ColegeofAgriculture,HainanUniversity,InstituteofTropicalCropGeneticResources,Chinese
AcademyofTropicalAgricultureSciences,Danzhou571737,China;2.StateKeyLaboratory
forConservationandUtilizationofSubtropicalAgrobioresources,RootBiology
Center,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Phosphorous(P)isoneoftheessentialmacronutrientsandahighaffinityphosphatetransporter
(PT)playsanimportantroleinPabsorptionandtransport.犛犵犘犜1encodesahighaffinityphosphatetrans
porterfromtherootsofTPRC20011whichisaPefficientgenotype.Itwashomologouslyclonedandaful
lengthcDNAlibrarywasestablishedunderphosphorousdeficiencyconditions.Thefullengthof犛犵犘犜1is
1994bp,anditencodes538aminoacids.TheproteinmolecularweightofSgPT1is59kD.Theproteinsec
ondarystructureisa6+6configuration,whichisconsistentwithmosthighaffinityPT.Theexpressionof
犛犵犘犜1wasstronglyenhancedbylowphosphorous(LP)stressinstyloTPRC20011rootindicatingthat犛犵
犘犜1potentialyparticipatedinPuptakeandtransportunderLPconditions.Theincreasedexpressionof犛犵犘犜1
wasoneofthemolecularmechanismsforstyleadaptationtoLPstressand犛犵犘犜1mightbeoneofthecandi
dategenesforclarifyingthemechanisms.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊;phosphorous;phosphatetransporter;homologousclone;犛犵犘犜1
691 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4