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1、耐低磷水稻品种筛选和根系形态重塑机制磷是水稻生长发育必需的大量元素之一,也是水稻利用率较低的元素,土壤有效磷含量不足严重影响水稻产量和品质。外源磷肥的大量施用虽然在一定程度上提高了水稻产量,但大量消耗了不可再生的磷矿资源,同时增加了农业生产成本,并加重了水体富营养化的风险。因此,在现有水稻材料中,筛选磷高效水稻品种,研究其耐低磷机制,发掘水稻中的耐低磷关键基因,对于充分利用水稻固有的生物学特性以提高土壤磷的利用效率及磷高效水稻新品种的分子改良,具有重要意义。本文首先从40个不同基因型水稻品种中筛选出对磷素利用效率不同的代表性水稻品种,进而应用基因芯片和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术
2、,分析耐低磷水稻根系基因表达对低磷胁迫的应答,探讨低磷胁迫下水稻根系形态重塑的机制,发掘出与根系形态重塑相关的关键基因。主要结论如下：1.筛选出了不同基因型的耐低磷水稻品种在低磷和正常供磷条件下对40个不同水稻品种进行全生育期培养液培养,通过对性状的考察和分析,以筛选不同类型耐低磷水稻品种(系)。结果表明,在低磷处理下所有供试品种的分蘖数、穗数、根系总干重、叶内磷含量均较对照显著降低,多数品种的株高也较对照略有下降,其中以分蘖数、穗数对低磷胁迫最为敏感,且降幅最高,而极大多数品种的根长较对照大幅增高。进而根据对穗数和根长相关关系的分析,筛选出三类不同的低磷应答型水稻品种(系),即：磷高效吸收
3、利用应答基因型(仪粳2434、郑旱6号),根系形态重塑应答基因型(镇稻99、华瑞稻1号),低磷敏感基因型(通粳981、仪粳2490)。并通过体内磷含量测定和根系扫描结果,进一步在上述所筛选出的三类低磷应答基因型品种中划分出了相应的亚类型。2.基因芯片检测到水稻根系中对低磷胁迫的差异表达基因在低磷处理15天后,应用基因芯片技术对根系形态重塑应答基因型水稻品种镇稻99根系中的基因表达谱进行了分析。结果显示,在46000多个水稻基因中,镇稻99根系对低磷胁迫的有效差异表达(ratio值≥2或≤0.5)基因共有1875个,其中上调基因924个,下调基因951个。根据生物学数据库查询和文献查阅,进一步
4、筛选出了其功能可能与根系形态重塑相关的低磷处理诱导表达基因,这些基因的功能类型分别属于：根系形态关键调控基因(10个)、转录及生长调控相关基因(16个)、根冠蛋白基因(7个)、根系细胞壁物质合成和代谢相关基因(12个)、细胞膨胀素基因(12个)、激素代谢与激素信号途径相关基因(16个)。3.低磷胁迫诱导表达基因的qRT-PCR验证进一步采用实时荧光定量PCR技术,对镇稻99和低磷敏感基因型品种通粳981根系中与根系形态重塑相关基因在低磷胁迫下的转录水平进行了验证。结果表明,在镇稻99根系中,所选择验证的5个根系形态关键调控基因的转录都受到低磷胁迫的诱导；在通粳981中根系中,除P-typeR
5、2R3Myb在低磷胁迫下的转录水平基本维持不变外其余均受到低磷胁迫的明显抑制。所验证的7个转录与生长调控相关基因在低磷胁迫下的镇稻99根系中均表现为上调表达；而在低磷胁迫下的通粳981根系中,ENOD93、MADS-box基因表现为明显的下调表达,其余基因表现为上调表达,但上调倍数明显低于镇稻99。所验证的3个根冠蛋白基因在经低磷处理的两个水稻品种根系中均呈现明显的上调表达,但在镇稻99根系中的上调倍数高于镇稻99。所验证的6个根系细胞壁物质合成和代谢相关基因除了漆酶-25在低磷胁迫下镇稻99根系中上调表达而在通粳981根系中下调表达外,其余基因在两共试水稻品种根系中均表现为上调表达。所验证
6、的5个细胞膨胀素基因中的多数在经低磷处理的镇稻99根系中的转录水平远高于其在通粳981中的转录水平。所验证的赤霉素、生长素、植物磺肽素代谢和调控相关基因及细胞分裂素氧化酶基因在镇稻99根系中转录水平远高于在通粳981中的转录水平。上述结果不仅验证了基因芯片检测的准确性,且为镇稻99耐低磷根系形态重塑机制的阐明提供了线索。4.镇稻99根系耐低磷形态重塑的可能机制综上,作者认为,在低磷胁迫下水稻耐低磷根系形态重塑机制复杂。在低磷胁迫下的镇稻99根系中：①SCARECROW、R2R3MYB和P-typeR2R3MYB基因表达的诱导,可能是镇稻99初生根大幅加长的基因调控机制；TTG1、TT12、P
7、HR和多个bHLH基因表达的的诱导,可能是镇稻99根毛发生和伸长的关键原因；多个WRKY转录因子基因表达的诱导,可能与镇稻99侧根的发生、发育相关。②贝壳杉烯合成酶1A、贝壳杉烯氧化酶1和赤霉素3p-羟化酶基因表达的诱导,促进镇稻99根系中赤霉素的合成；萜烯合成酶和IAA-氨基酸水解酶基因表达的诱导,能提高镇稻99根系中游离生长素的含量；同时赤霉素和生长素应答调节蛋白基因表达的诱导,表明赤霉素和生长素在镇稻9
