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铁是所有生物必需的微量元素之一,植物体内的铁代谢是一个非常复杂的过程,本文以番茄和拟南芥为材料,研究机理Ⅰ植物铁吸收的分子调控机制。其主要研究结果如下:
1.番茄中与FER互作蛋白LebHLH34的分离和功能分析
番茄不仅是一种重要的蔬菜作物,也是研究机理Ⅰ植物铁吸收机制的理想模式植物。本研究利用同源克隆的方法分离了番茄LebHLH34基因,该基因在根、茎和叶中均受缺铁强烈诱导表达。酵母双杂交和拟南芥原生质体中的双分子荧光互补(Bimolecular fluorescence complementation,BiFC)实验证明,LebHLH34和FER能形成异源二聚体,FER能与自己形成同源二聚体,而LebHLH34则不能,FER/LebHLH34异源二聚体能启动由LeFRO1启动子PLeFRO1驱动的GUS基因的表达。在缺铁条件下,通过病毒诱导的基因沉默(VIGS)降低LebHLH34的表达量,导致LeFRO1和LeIRT1的表达量下降,并且LebHLH34基因沉默植株的叶片和根中铁含量明显低于对照。由此推测,LebHLH34与FER互作形成异源二聚体参与对LeFRO1和LeIRT1的转录调控,在番茄铁吸收代谢过程中起着重要作用。
2.拟南芥中铁磷互作对主根生长及离子动态平衡的影响
铁和磷不仅能在土壤中形成难溶的复合物,在植物体内还表现出明显的拮抗作用。我们将拟南芥培养在+Fe+P、+Fe-P、-Fe+P和-Fe-P四种条件下,研究这两种元素在生理和分子水平上的相互作用。缺磷导致主根生长和根尖分生区发育受抑制,根部磷吸收基因的诱导表达,缺铁能有效抑制这些缺磷反应。而缺磷能增加铁的有效性,促进铁从根向地上部转运,缓解缺铁胁迫。细胞分裂素对主根长度和分生区大小起负调控作用,本实验证明它参与了Fe/P互作对主根长度的调控:在+Fe-P条件下,细胞分裂素受体基因AHK3和合成基因IPT1、IPT2上调表达,细胞分裂素信号加强且含量增加,导致分生区变小,主根长度变短；在-Fe+P和-Fe-P条件下,我们观察到相反的现象。T-DNA插入突变体ahk3以及双突变体ahk2ahk3、ahk3ahk4在+Fe-P条件下根长的抑制率降低,在-Fe+P和-Fe-P条件下,根长的促进率增加。由此看来,在细胞分裂素介导的Fe/P互作调控主根长度这一过程中起主要作用的受体是AHK3基因。