高粱低磷胁迫响应相关wrky转录因子的克隆和表达分析
.1高粱（Sorghum bicolor L.）是重要的粮食、饲料和能源作物。磷参与植物大部分重要的生理过程，是作物生长发育所必需的营养元素，是蛋白质、核酸、氨基酸和叶绿素等的组成成分。然而，土壤中磷含量十分有限，远不能满足植物对磷含量的需求。近年来WRKY转录因子在植物中被发现为特有的新型转录调控因子。本实验克隆了高粱中与低磷胁迫响应相关的WRKY转录因子，命名为SbWRKY2，共编码246个氨基酸。氨基酸序列分析和同源比对发现，SbWRKY2属于第Ⅱ类WRKY转录因子。分析SbWRKY2在低磷处理不同时间下的表达模式，结果表明SbWRKY2在高粱根系和地上部中都有表达，根系中的表达量均比地上部中的表达量高；低磷处理后，SbWRKY2的表达受低磷诱导，在低磷处理的第8天表达量较对照高达10倍以上。
目录
引言
引言
（一）高粱作为粮草的优势
作为C4植物，高粱有着较高的光合效率，并且有着生长快、产量高、耐旱涝、耐瘠薄等特点，是重要的经济作物，是植物中的“骆驼”，有着食用、饲用、能源等多种用途。高粱也是世界范围内第五大重要作物，在世界上被广泛种植，原产于非洲，在中国有着悠久的栽培历史，且适应性极广。高粱作为能源植物，有其独特的优势。另外，高粱的基因组较小，目前已经完成基因组测序，并且生物信息学资源丰富，已经成为除水稻之外又一个重要的食用和能源模式作物[1]。
（二）植物磷营养概述和低磷响应相关研究
植物总磷含量占植物总干物质重量的0.05%0.5%[2]，磷几乎与所有重要生理过程有关，包括光合作用、呼吸作用、信号传导和能量传递。许多酶促反应的发生和信号传导途径都有磷的参与调节 [3]。此外，磷可以提高氮的吸收同化能力，同时促进生物固氮过程，提高植物抵御干旱、严寒、病害等外界不利条件的能力和抗倒伏能力[4]。磷的供应减少会造成细胞分裂和增殖受限、代谢停顿、新器官不能形成等问题。
植物根部对土壤磷的吸收是植物中的磷元素主要来源。土壤中的磷可分为无机磷和有机磷两种形态，有机磷占土壤全磷的50%80%[5]。HPO42和H2PO4（Pi）是植物根系吸收及转运磷元素的主要形式，因为土壤对磷有着强烈的固定作用，所以导致植物可利用的磷元素很少，它们在土壤中的浓度通常约为1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
5μmolL1[6,7]，远不能满足植物正常生长的需要。全球约一半的农业耕地属于缺磷土壤，低磷胁迫已成为限制全球植物生长及产量的重要因素[8,9]。植物不能自主的选择生存环境，长期处于缺磷的植物从形态和生化方面进化出了一系列的机制来适应这种逆境胁迫。
1）根形态的改变
植株在受到低磷逆境胁迫时，主根生长受到抑制，根毛会变长变密，根毛的这种变化可以增大植株根际与土壤的接触表面积，帮助植株在磷有限的环境下吸收最多的磷[10]。比如白羽扇豆根系在低磷胁迫下，侧根数量和长度增加并形成排根，同时侧根与主根之间的角度增大，使侧根尽量伸展在含有效磷较多的土壤表层，从而保证自身的磷供应[11]。
2）与真菌的共生作用
植物与共生菌形成菌根，进而提髙土壤中磷利用效率。真菌的根外菌丝能够延伸至根毛所及范围一百倍以外[12]，并且形成分枝，就能在磷缺乏区外形成营养物质吸收网络。李晓林和冯固发现丛枝菌根真菌能够显著促进磷的吸收并増加植物磷含量，进而促进植物生长[13]。在低磷胁迫下，真菌与植物有着更进一步紧密的共生关系 [14]。
3）根系分泌物大量合成
植物会在根际分泌有机酸，有这些有机酸可以通过配合基的转换释放土壤中有机化合物的磷。Lambers等人发现白羽扇豆根系会特异地在低磷处理的根尖分泌有机酸[15]。低磷条件下，表达酸性磷酸酶的相关基因的转录水平在低磷条件下也会明显受诱导上调。根系分泌到细胞外的酸性磷酸酶主要参与将Pi从土壤有机物中释放出来供植物吸收利用。PAP10是第一个被发现的在低磷胁迫条件下显著诱导表达的磷酸酶基因，PAP10能够附着在根上进而增加拟南芥根系在低磷条件下的磷吸收[16]，Zhang等人还发现PAP10参与拟南芥响应低磷胁迫的环境信号和系统信号[17]。
4）相关基因的表达
植物还会迅速从分子水平上做出相对反应来适应低磷环境。植物对缺磷的反应是一个精密又巧妙的过程，在低磷环境下，植物中许多基因参与应对缺磷的反应，磷转运蛋白基因、核糖核酸酶基因、磷酸酶基因等位在其列。表达酸性磷酸酶的相关基因的转录水平在低磷条件下会受诱导明显上调，如AtPS21和AtPS22。Z4T6过表达材料的磷吸收能力和磷含量高于野生型材料，体内AtPS21等磷饥饿响应基因的表达量低于野生型材料[18]。
（三）WRKY转录因子
为了适应内外环境的变化，植物在漫长的进化过程中，形成了错综复杂的调节机制，转录因子在其中的作用举足轻重。转录因子是指能识别基因启动子中的顺式作用元件，并特异性结合顺式作用元件，能够激活或抑制基因转录效应的蛋白。WRKY转录因子因为在其N端含有由WRKYGQK构成的高度保守的氨基酸序列而得名[19]。第一个WRKY转录因子是由Ishiguro等从白薯克隆得到的SPF1[20]。
1）WRKY的分类
根据WRKY结构域的数量以及锌指基序的特征可以将WRKY家族分为三类：第Ⅰ类具有两个WRKY结构域和CX45CX2223HX1H型的锌指基序；第Ⅱ类具有一个WRKY结构域和CX45CX2223HX1H型的锌指基序；第Ⅲ类具有一个WRKY结构域和CX7CX23HX1C型的锌指基序。在结合靶标基因时，第Ⅰ类WRKY转录因子主要用C端的WRKY结构域与DNA结合，而N端的WRKY结构域可能是与其它蛋白互作的位点；第Ⅱ、Ⅲ类的转录因子则用唯一的WRKY结构域结合靶DNA。
2）WRKY转录因子的生物学功能
大部分已研究的植物WRKY转录因子都具有抗病性[21]。当受到病原体感染时，植物会立即启动自身的免疫反应抵御机制。WRKY类转录因子接收到通过介导特定生物逆境信号后，转导调控其下游防御基因的转录，在植物应对生物逆境免疫响应和抵御过程中扮演着重要的角色[22]。近年来，越来越多的研究发现WRKY在植物响应非生物逆境中发挥着重要的生物学功能。植物种属部分WRKY转录因子参与植株应答和抵御盐胁迫信号的转导过程。研究发现，拟南芥根系中35个应答盐（NaCl）胁迫的WRKY成员中有18个基因在盐分胁迫下明显上调[23]。关于其他植物的研究也证实了一部分WRKY成员在盐分应答及下游作用的盐胁迫响应以及抵抗相关基因的转录调控中所起的作用[24,25]。另有研究表明，WRKY转录因子可能参与调节衰老相关基因表达[26]。有实验表明拟南芥中的转录因子WRKY6特异地结合衰老诱导受体样激酶基因启动子区域的Wbox，从而调节植物衰老和植物抗病反应[27]。
目录
引言
引言
（一）高粱作为粮草的优势
作为C4植物，高粱有着较高的光合效率，并且有着生长快、产量高、耐旱涝、耐瘠薄等特点，是重要的经济作物，是植物中的“骆驼”，有着食用、饲用、能源等多种用途。高粱也是世界范围内第五大重要作物，在世界上被广泛种植，原产于非洲，在中国有着悠久的栽培历史，且适应性极广。高粱作为能源植物，有其独特的优势。另外，高粱的基因组较小，目前已经完成基因组测序，并且生物信息学资源丰富，已经成为除水稻之外又一个重要的食用和能源模式作物[1]。
（二）植物磷营养概述和低磷响应相关研究
植物总磷含量占植物总干物质重量的0.05%0.5%[2]，磷几乎与所有重要生理过程有关，包括光合作用、呼吸作用、信号传导和能量传递。许多酶促反应的发生和信号传导途径都有磷的参与调节 [3]。此外，磷可以提高氮的吸收同化能力，同时促进生物固氮过程，提高植物抵御干旱、严寒、病害等外界不利条件的能力和抗倒伏能力[4]。磷的供应减少会造成细胞分裂和增殖受限、代谢停顿、新器官不能形成等问题。
植物根部对土壤磷的吸收是植物中的磷元素主要来源。土壤中的磷可分为无机磷和有机磷两种形态，有机磷占土壤全磷的50%80%[5]。HPO42和H2PO4（Pi）是植物根系吸收及转运磷元素的主要形式，因为土壤对磷有着强烈的固定作用，所以导致植物可利用的磷元素很少，它们在土壤中的浓度通常约为1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
5μmolL1[6,7]，远不能满足植物正常生长的需要。全球约一半的农业耕地属于缺磷土壤，低磷胁迫已成为限制全球植物生长及产量的重要因素[8,9]。植物不能自主的选择生存环境，长期处于缺磷的植物从形态和生化方面进化出了一系列的机制来适应这种逆境胁迫。
1）根形态的改变
植株在受到低磷逆境胁迫时，主根生长受到抑制，根毛会变长变密，根毛的这种变化可以增大植株根际与土壤的接触表面积，帮助植株在磷有限的环境下吸收最多的磷[10]。比如白羽扇豆根系在低磷胁迫下，侧根数量和长度增加并形成排根，同时侧根与主根之间的角度增大，使侧根尽量伸展在含有效磷较多的土壤表层，从而保证自身的磷供应[11]。
2）与真菌的共生作用
植物与共生菌形成菌根，进而提髙土壤中磷利用效率。真菌的根外菌丝能够延伸至根毛所及范围一百倍以外[12]，并且形成分枝，就能在磷缺乏区外形成营养物质吸收网络。李晓林和冯固发现丛枝菌根真菌能够显著促进磷的吸收并増加植物磷含量，进而促进植物生长[13]。在低磷胁迫下，真菌与植物有着更进一步紧密的共生关系 [14]。
3）根系分泌物大量合成
植物会在根际分泌有机酸，有这些有机酸可以通过配合基的转换释放土壤中有机化合物的磷。Lambers等人发现白羽扇豆根系会特异地在低磷处理的根尖分泌有机酸[15]。低磷条件下，表达酸性磷酸酶的相关基因的转录水平在低磷条件下也会明显受诱导上调。根系分泌到细胞外的酸性磷酸酶主要参与将Pi从土壤有机物中释放出来供植物吸收利用。PAP10是第一个被发现的在低磷胁迫条件下显著诱导表达的磷酸酶基因，PAP10能够附着在根上进而增加拟南芥根系在低磷条件下的磷吸收[16]，Zhang等人还发现PAP10参与拟南芥响应低磷胁迫的环境信号和系统信号[17]。
4）相关基因的表达
植物还会迅速从分子水平上做出相对反应来适应低磷环境。植物对缺磷的反应是一个精密又巧妙的过程，在低磷环境下，植物中许多基因参与应对缺磷的反应，磷转运蛋白基因、核糖核酸酶基因、磷酸酶基因等位在其列。表达酸性磷酸酶的相关基因的转录水平在低磷条件下会受诱导明显上调，如AtPS21和AtPS22。Z4T6过表达材料的磷吸收能力和磷含量高于野生型材料，体内AtPS21等磷饥饿响应基因的表达量低于野生型材料[18]。
（三）WRKY转录因子
为了适应内外环境的变化，植物在漫长的进化过程中，形成了错综复杂的调节机制，转录因子在其中的作用举足轻重。转录因子是指能识别基因启动子中的顺式作用元件，并特异性结合顺式作用元件，能够激活或抑制基因转录效应的蛋白。WRKY转录因子因为在其N端含有由WRKYGQK构成的高度保守的氨基酸序列而得名[19]。第一个WRKY转录因子是由Ishiguro等从白薯克隆得到的SPF1[20]。
1）WRKY的分类
根据WRKY结构域的数量以及锌指基序的特征可以将WRKY家族分为三类：第Ⅰ类具有两个WRKY结构域和CX45CX2223HX1H型的锌指基序；第Ⅱ类具有一个WRKY结构域和CX45CX2223HX1H型的锌指基序；第Ⅲ类具有一个WRKY结构域和CX7CX23HX1C型的锌指基序。在结合靶标基因时，第Ⅰ类WRKY转录因子主要用C端的WRKY结构域与DNA结合，而N端的WRKY结构域可能是与其它蛋白互作的位点；第Ⅱ、Ⅲ类的转录因子则用唯一的WRKY结构域结合靶DNA。
2）WRKY转录因子的生物学功能
大部分已研究的植物WRKY转录因子都具有抗病性[21]。当受到病原体感染时，植物会立即启动自身的免疫反应抵御机制。WRKY类转录因子接收到通过介导特定生物逆境信号后，转导调控其下游防御基因的转录，在植物应对生物逆境免疫响应和抵御过程中扮演着重要的角色[22]。近年来，越来越多的研究发现WRKY在植物响应非生物逆境中发挥着重要的生物学功能。植物种属部分WRKY转录因子参与植株应答和抵御盐胁迫信号的转导过程。研究发现，拟南芥根系中35个应答盐（NaCl）胁迫的WRKY成员中有18个基因在盐分胁迫下明显上调[23]。关于其他植物的研究也证实了一部分WRKY成员在盐分应答及下游作用的盐胁迫响应以及抵抗相关基因的转录调控中所起的作用[24,25]。另有研究表明，WRKY转录因子可能参与调节衰老相关基因表达[26]。有实验表明拟南芥中的转录因子WRKY6特异地结合衰老诱导受体样激酶基因启动子区域的Wbox，从而调节植物衰老和植物抗病反应[27]。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/nongxue/zwbh/134.html
