有机磷处理下大麦磷利用及相关基因克隆与分析

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大麦(Hordeum Vulgare.L)是我国第四大粮食作物,同时磷营养影响着大麦的生长发育过程。尽管土壤有机磷种类丰富,但能被大麦吸收利用的有机磷却十分有限,同时,环境中的磷浓度对大麦的发育、产量等产生影响。因此,找出合适的土壤有机磷种类及有机磷浓度对大麦的磷营养生长有着重要的意义。同时,除外界环境的影响外,大麦自身的基因型差异也是其土壤有机磷利用能力差异的重要因素之一。因此,本研究以野生大麦(CN4027)及栽培大麦(Baudin)为研究材料,通过设置不同种类的有机磷处理,评价其对大麦生长的影响,选择最佳有机磷源,并设置不同有机磷浓度,对大麦有机磷利用能力进行探讨。基于前期QTL定位的大麦磷利用区间进行候选基因筛选、克隆及相对表达量分析,得到有机磷利用相关目的基因,并对其进行生物信息学分析。取得的主要结果如下:(1)大麦能在以Phytin、ATP、RNA、F6P及IHP有机磷为唯一磷源的环境中生长。在ATP及Phytin有机磷处理下,大麦能通过改变根系形态、提高酸性磷酸酶及植酸酶活性等方式来提高对磷的吸收利用能力,拥有与无机磷处理下相当的生物量、磷含量及磷积累量。同时,大麦的磷利用效率与酸性磷酸酶活性相关,植酸酶活性的增强则有利于地上部生物量的积累。(2)大麦CN4027与Baudin对有机磷植酸钙的利用能力存在基因型差异,Baudin对植酸钙的磷利用能力高于CN4027。其中CN4027在3.75 m mol·L-1植酸钙浓度下地上部积累了最多生物量,而Baudin在2.5 m mol·L-1浓度下最高。大麦通过增加根冠比,延长总根、初生根及侧根,增加根表面积、根体积及根尖数,增强根系及分泌型酸性磷酸酶活性来增强其根系对高浓度有机磷植酸钙的利用能力。CN4027主要通过植酸酶活性的增强来提高地上部的磷再利用能力及根系对有机磷的吸收利用,而Baudin主要通过酸性磷酸酶活性的增强来实现。(3)基于前期QTL定位的大麦磷利用区间筛选得到候选基因MLOC_56200、MLOC_61737、MLOC_69490、MLOC_38965及AK354580。通过基因克隆、相对表达量结果表明,除MLOC_38965外的基因相对表达量均受有机磷浓度影响,其中基因MLOC_61737和参考基因JF274705表达量变化幅度较大,再结合表型及生物信息学分析,发现大麦PAP I-2家族基因JF274705参与了无磷条件下大麦根系的生长和磷从地下部向地上部的转移以及地上部磷利用过程,大麦PHT1家族基因MLOC_61737在0.625 m mol·L-1植酸钙浓度下对大麦初生根生长及磷从根系向地上部的转移过程进行调控。
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