论文摘要
分子生物学的迅速发展为植物营养学科的深入研究提供了丰富的材料和有效的研究方法,使进一步揭示植物营养养分吸收及转运的分子调控机理成为可能。近二十多年来,根据Mitchell的化学渗透假说,对植物细胞膜离子转运和电生理的研究已经初步阐明了溶质分子跨膜转运的机制。由于H＋的跨膜转运形成的质子电化学梯度所引起的质子驱动力与各种溶质分子和各种生长调节因子等主动转运相偶联,使得H+-ATPase在养分吸收、转运、分配,以及植物生长发育等方面的重要作用逐渐被重视。然而在植物体内数量众多的ATPase家族基因中只有及少几个基因的生理功能得到阐明。目前调控水稻矿质营养方面的单个质膜H+-ATPase作用及其调控机理尚未见报道。氮磷钾是植物必需同时又是土壤中经常缺乏的三大营养元素,特别是土壤中磷的移动性差和有效性低,植物适应低磷营养的机理受到了广泛的关注。已经有证据表明,植物养分的吸收和转运与质膜质子泵的活性有关。水稻是模式作物和我国重要的粮食作物,水稻全基因组中,总共有10个属于质膜质子泵的基因。开展与氮磷钾营养有关的水稻质膜质子泵ATPase基因的功能研究,对揭示植物高效调控吸收和转运营养的机理以及植物的品种改良具有重要意义。本文以一个水稻质膜质子泵基因OsA8完全敲除的OsA8纯合突变体（Tos17插入突变）和其野生型植株（Oryze Sativa ssp. Japonica cv. Hitomebore）为材料,对比研究在不同磷、钾、氮条件下突变体和野生型植株的形态和生理特征及分子响应机制,探讨OsA8基因的功能。主要结果如下：1.在正常营养供应条件下OsA8基因在水稻叶片和缺磷条件下根系中均有表达,但其表达水平比较低。值得注意的是与已经报道的大豆中质膜H+-ATPase总活性受磷缺乏增强不同,OsA8在缺磷条件下叶片中表达受到抑制,根系中表达增强；水稻缺氮或缺钾也降低OsA8基因的表达,但其幅度相对缺磷引起的变化较小。2.以日本农业生物资源研究所水稻基因组资源中心（Rice Genome resource center, National Institute of Agrobiological Science, Japan）提供的突变体H0310为材料,分别用抑制PCR和反向PCR方法,鉴定并得到了14个OsA8屯合突变株。RT-PCR分析进一步确认该基因在纯合突变体中没有表达。3.敲除OsA8基因能减少水稻根系和地上部分的生物量并改变植株的形态。在水培条件下,无论是缺磷或正常供应磷处理,OsA8突变体水稻根系的总根长、总体积以及表面积和根尖数都较野生型植株的小。然而,正常营养条件下OsA8突变体根系的平均半径无明显变化,但在缺磷条件下其根系的平均半径降低,而且初生根的半径则有所增加。突变体地上部分表现为分蘖数减少并且分蘖延迟,但株高的影响不明显。4.与该基因的表达特性吻合的是,我们通过水培和砂培试验证明了OsA8与磷的吸收,特别是磷从根系到地上部分的转运有明显的相关性。在缺磷条件下突变体的根系中磷浓度显著高于野生型植株；在正常供磷条件下其磷浓度没有显著差异。在正常供磷条件下,突变体地上部分磷浓度明显降低；但在缺磷条件下没有显著差别。表明突变体水稻根系中磷向地上部分的转运受到了明显的抑制。5.OsA8对硝态氮、钾的缺乏也有响应,但其影响程度远没有对磷的响应程度高。不同氮钾处理条件对OsA8突变体植株的形态没有明显的影响；在养分吸收方面,OsA8突变体中钾和硝态氮的吸收受到抑制,但提高根系向地上部分的转运。6.除了对硝态氮、磷、钾吸收及转运的影响,敲除OsA8还显著增加了水稻根系中可溶性糖的含量,与此一致的是,突变体中H+-ATPase活性,根系还原酶活性都高于野生型植株；生物量明显降低,表明突变体消耗比较多的能量也不能完全弥补敲除OsA8的影响。7.通过RT-PCR分析,我们的结果显示OsA家族基因中部分基因分别响应磷、钾和氮形态的变化,这些基因表达水平的变化比较复杂,原因可能与其担负的功能复杂程度有关。8.对磷转运蛋白Phtl家族中各基因的分析表明：OsPT6基因的表达与植株中OsA家族基因的表达（或H+-ATPase活性）有明显的关系。并且Phtl家族大部分基因的表达强度与所分析的组织中磷的含量呈负相关。总之,通过对突变体的分析,我们发现水稻质膜质子泵基因OsA8的功能与水稻磷的吸收和转运,硝态氮、钾的吸收及其转运有关。敲除OsA8影响Pht1家族OsA家族部分基因的表达水平以及根系活力、可溶性糖含量、H+-ATPase活性。因此,维持OsA8的表达对保持氮磷钾的充分吸收利用和植株的正常形态有重要作用。