玉米缺磷响应基因ZmARF4的功能初探

【作者】 李静； 吴锋锴； 卢艳丽；

【机构】 四川农业大学玉米研究所；

【摘要】 【研究背景】磷是植物生长的必需营养元素之一。植物通过根系吸收土壤中的矿质营养元素,根系形态是决定植物对土壤磷吸收利用效率的主要因素。生长素应答因子(Auxin responsefactor,ARF),是一类调控生长素响应基因表达的转录因子家族,在生长素信号传导途径中起着重要的作用。有研究发现在低磷条件下,生长素受体TIR1基因的表达显著加强,导致AUX/IAA蛋白的降解,从而释放ARF7/19,促进侧根的生长发育。本研究利用实验室前期对玉米ZmARF家族响应缺磷胁迫基因的鉴定结果和玉米苗期缺磷相关性状的关联分析,拟通过对玉米中ZmARF4基因响应低磷胁迫的表达分析,拟南芥突变体中的功能互补验证和和玉米、拟南芥中过量表达等方法初步验证其生物学功能,为玉米对磷的高效吸收利用提供理论依据。【材料与方法】本研究利用玉米耐低磷自交系178和低磷敏感自交系9782,采用霍格兰营养液水培法培养至三叶一心,分别进行0 h、4 h、12 h、24 h、36 h、48 h的缺磷胁迫处理和正常供磷对照,取根和叶进行ZmARF4响应缺磷胁迫的表达模式分析。利用拟南芥Col-0、双突突变体arf7arf19和玉米KN5585进行遗传转化的生物学功能验证。利用酵母双杂交文库筛选和Co-IP实验验证ZmARF4的互作蛋白。【结果与分析】正常供磷条件下,ZmARF4在耐低磷自交系178根与叶中的相对表达量均高于低磷敏感自交系9782,且在根系中的表达量均显著高于叶片,暗示该基因在根系中具有重要功能。缺磷胁迫处理后,178和9782叶片中ZmARF4的相对表达量均变化不大,基本维持稳态水平;在178根系中,ZmARF4整体显著下调表达,而在9782根系中显著上调表达,表明ZmARF4在玉米极端材料中响应缺磷胁迫具有不同的表达模式。烟草瞬时表达结果显示,ZmARF4定位于细胞核,而玉米原生质体中的结果定位于在细胞质和细胞核,可能由于该基因的异源表达所致。ZmARF4(全长CDS)具有自激活效应,自激活效应来源于AUX_IAA结构域。用不具有自激活的ZmARF4-AUX_IAA筛选到重要候选基因CHC5,酵母回转验证结果表明该蛋白能与ZmARF4(全长CDS)互作。拟南芥Col-0中过表达ZmARF4在正常条件下根系相关性状均无显著差异,而在缺磷胁迫条件下能显著促进根系的生长。同时arf7、arf19丧失了侧根的发生,在该突变体中过表达ZmARF4能部分恢复侧根发生和生长的生物学功能。【结论】玉米ZmARF4主要在根系中表达,在极端材料中响应缺磷胁迫的表达模式存在差异。ZmARF4在玉米原生质体中定位在细胞质和细胞核。酵母双杂交文库筛选检测到ZmARF4与调控植物生长发育、抗病抗逆的候选基因CHC5互作。拟南芥遗传转化实验表明ZmARF4具有促进根系生长发育的生物学功能。更多还原