大豆磷铁养分胁迫响应的FE...鉴定及FER1缓解铁毒作用_吴丽霞.pdf

大豆磷铁养分胁迫响应大豆磷铁养分胁迫响应的的 FER 基因鉴定基因鉴定及及 FER1 缓解铁毒作用缓解铁毒作用吴丽霞，欧斯艳，麦翠珊，黄丽雅，张亚楠，邓雅茹，李方剑，王金祥*（华南农业大学根系生物学中心/广东省农业农村污染治理与环境安全重点实验室/华南农业大学资源环境学院，广东广州510642）摘要:【目的目的】FERRITIN(FER)是一类保守铁蛋白，对于维持铁的稳态及铁代谢中起重要作用。通过鉴定大豆FERRITIN(GmFER)基因家族的组成及其对低磷、铁毒等养分胁迫的响应，为今后研究 FER 功能奠定基础。【方法方法】对 GmFER 基因进行生物信息学分析，根据其编码的 GmFER 氨基酸序列，用 ProtParamtool 网站计算了 GmFER 家族的相对分子质量、氨基酸组成和等电点(PI)；用 PSORT 网站预测 GmFERs 蛋白定位；从Phytozome 网站下载 GmFER 家族的氨基酸序列与基因启动子序列，用MEME预测 GmFER 家族序列中的保守基序；用 MEGAX 对 GmFERs 进行进化分析，用最大似然法重建进化树；通过定量 PCR 分析 GmFER 对低磷、铁毒等养分胁迫的响应，构建 GmFER1 基因启动子融合 GUS报告基因的载体与 GmFER1 超表达载体，进一步分析 GmFER1 基因启动子活性和对铁毒的响应，以及异源超表达 GmFER1 对拟南芥耐受铁毒的影响。【结果结果】大豆基因组有 12 个 GmFER 基因，对 GmFERs 进行进化分析，发现 GmFERs 可以分为 4 个亚组(亚组)，其中 GmFER3、GmFER7、GmFER8、GmFER10 和 GmFER11 属于亚组，GmFER2 和 GmFER9 同属亚组；GmFER5 和禾本科植物水稻和玉米的 FER 同属亚组，GmFER1、GmFER4、GmFER6、GmFER12属于亚组；通过 MEME 预测，GmFER 家族序列中的保守基序有 3 个；蛋白亚细胞定位预测显示，大豆FER 蛋白可定位于细胞质、线粒体和叶绿体。运用定量 PCR 技术检测 GmFER 基因在大豆根和叶的表达水平，发现 12 个 GmFER 基因在响应磷铁养分胁迫时存在差异，其中 GmFER1、GmFER4、GmFER5、GmFER6、GmFER12 受低磷诱导，GmFER1、GmFER4、GmFER12 表达受铁毒诱导；对 GmFER1 启动子的活性进行分析，发现铁毒促进 GmFER1 启动子在根系的活性；在铁毒胁迫下，与野生型 Col-0 比，超表达 GmFER1 显著提高了拟南芥的主根长、侧根数目、侧根密度、叶绿素含量和鲜重，增强了耐铁毒的能力。【结论结论】大豆基因组共有 12 个 FER 基因，GmFER 基因响应低磷或铁毒等养分胁迫。超表达 GmFER1 可促进主根生长，增加侧根密度，提高叶绿素含量，增加植株鲜重，表明 GmFER1 在缓解铁毒胁迫方面起重要作用。关键词:FERRITIN；GmFER 基因组；大豆；低磷胁迫；铁毒害；根系发育；叶绿素含量Responses of FER family genes in Glycine max to low phosphorus stressand iron toxicity and the role of GmFER1 in iron toxicity toleranceWULi-xia,OUSi-yan,MAICui-shan,HUANGLi-ya,ZHANGYa-nan,DENGYa-ru,LIFang-jian,WANGJin-xiang*(Root Biology Center/Guangdong Provincial Key Laboratory of Agricultural&Rural Pollution Abatement and EnvironmentalSafety/College of Natural Resources and Environment,South China Agricultural University,Guangzhou,Guangdong 510642,China)Abstract:【Objectives】FERRITIN(FER)isakindofconservedferritin.FERplaysimportantrolesinmaintainingironionhomeostasisandironmetabolism.WeidentifiedGlycine max FERRITIN(FER)genes,determinedtheresponsesofGmFERstolowPstressandFetoxicity,anddecipheredtherolesofGmFER1iniron植物营养与肥料学报2023,29(1):8196doi:10.11674/zwyf.2022046JournalofPlantNutritionandFertilizershttp:/www.plantnutrifert.org收稿日期：20220124接受日期：20220517基金项目：广东省科技计划项目（2021B1212040008）；国家重点研发项目（2021YFF1000500）；华南农业大学 2019 年大学生创新创业训练计划项目（201910564201）。联系方式：吴丽霞E-mail:；*通信作者王金祥E-mail:toleranceviaheterologousexpression.【Methods】TheGmFERgeneswereidentifiedviabioinformaticstechnique.BasedontheencodedaminoacidsequenceofGmFERs,therelativemolecularweight,aminoacidcompositionandisoelectricpoint(PI)ofGmFERfamilywerecalculatedbyProtParamprogram.ThesubcellularlocalizationofGmFERswaspredictedbyPSORT.TheMEMEsuitewasusedtoexploretheconservedmotifsinGmFERfamily.ThephylogenetictreewasreconstructedbymaximumlikelihoodmethodviaMEGAX.QuantitativerealtimePCRwasusedtoanalyzetheresponsesofGmFERstolowphosphorus(P)andirontoxicity.WeconstructedthevectorofGmFER1genepromoterfusedwithGUSreportergeneandoverexpressingGmFER1vector,andfurtheranalyzedthepromoteractivityofGmFER1geneanditsresponsetoirontoxicityinArabidopsis,aswellastheeffectonArabidopsis thalianatolerancetoirontoxicity.【Results】Soybeangenomeencodes12FERs.GmFERscanbedividedintofoursubgroups(subgroups),amongwhichGmFER3,GmFER7,GmFER8,GmFER10andGmFER11belongtosubgroup,GmFER2andGmFER9belongtosubgroup;togetherwithFERsfromgramineousriceandmaize,GmFER5belongstosubgroup,andGmFER1,GmFER4,GmFER6,andGmFER12belongtosubgroup.TheMEMEsuitepredictedthattherewerethreeconservedmotifsintheGmFERfamily.SubcellularlocalizationpredictionrevealedthatGmFERsappeartobelocalizedincytoplasm,mitochondriaandchloroplast.QuantitativerealtimePCRanalysisshowedthat12GmFERgenesweredifferentiallyresponsivetoPandironnutrientstress.Amongthem,GmFER1,GmFER4,GmFER5,GmFER6andGmFER12wereinducedbylowP,andtheexpressionofGmFER1,GmFER4,andGmFER12wasinducedbyirontoxicity.IrontoxicitypromotedtheactivityofGmFER1promoterinroots.Underirontoxicitystress,comparedwithwild-typeCol-0,overexpressingGmFER1significantlyincreasedthelengthofprimaryroot,numberoflateralroots,lateralrootdensity,chlorophyllcontent,andfreshweightofArabidopsis,thusenhancingirontoxicityresistance.【Conclusions】Soybeangenomeencodes12GmFERs.GmFERgenesrespondtolowPorirontoxicity.OverexpressionofGmFER1improvesthegrowthoftransgenicArabidopsisunderirontoxicityviapromotingprimaryrootgrowth,lateralrootformation,increasinglateralrootdensity,chlorophyllcontentandfreshweight.OurresultsindicatethatGmFER1playsimportantrolesinalleviatingirontoxicitystressandenhancingtheabilityofplantstotolerateirontoxicity.Key words:FERRITIN;GmFERgenome;Glycine max;lowphosphorusstress;irontoxicity;rootdevelopment;chlorophyllcontent铁是植物必需的微量元素，但细胞内铁的含量过高，则会因铁的强氧化能力产生氧化胁迫1，因此铁的吸收和利用必须精确调控，才能维持植物细胞内铁稳态。双子叶植物如拟南芥(Arabidopsisthaliana)和番茄(Solanum lycopersicum)采用机制进行铁吸收，三价铁被还原为二价铁后通过根细胞膜上的铁转运子进入根细胞；在低铁环境下通过增加根的还原能力，促进质子的外排和还原剂的释放，促进铁的吸收2。番茄转录因子 Fer 是最早被鉴定的关键铁营养调节因子，它是一个细胞核定位的bHLH 蛋白3。Fer 在番茄根尖的表达不依赖于铁的供应，其在转录水平调节番茄根的发育和生理进而调节铁营养。FER-LIKE IRON DEFICIENCY-INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR(FIT)是拟南芥铁信号网络的核心转录因子，FIT 与 bHLH38/39/100/101 互作而调控下