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我国约60％的耕地处于缺磷状态,缺磷已成为限制农作物产量的主要因素之一。培育能直接反映土壤缺磷情况的指示植物具有重要的农业实践意义。
异源表达Lc能提高许多植株中花青素含量。拟南芥中AtSPX3是专一受缺磷诱导表达的基因。本试验旨在烟草中利用外源AtSPX3启动子调控Lc的表达,培育出土壤磷营养状况指示植物,并分析Lc调控烟草花青素合成的分子机制。
实验结果如下:(1)苗期Lc在转基因烟草的根中缺磷诱导表达,在叶片中缺磷上调表达。缺磷时转基因植株叶色深绿,叶片花青素的含量明显高于野生型。(2)开花期野生型烟草花萼绿色、花瓣浅红、花丝顶端有淡红的斑点,转基因烟草植株的花萼局部浅红,花瓣和花丝色泽深红,这几个组织中的总花青素含量明显高于野生型。在转基因烟草植株中,Lc在其花萼、花瓣和花丝中特异表达,提高了这三个组织的NtPAL、NtCHS、NtDFR、NtF3H和NtANS的表达水平。由此推断,缺磷情况下苗期NtDFR的表达提高了叶片中花青素的含量,而花中花青素合成相关基因的大量表达导致花器官中的花青素含量升高,促使花色深红；且NtF3W基因的上调表达提高矢车菊色素的含量,HPLC证实了矢车菊色素含量增加是花色加深的主因。(3)苗期野生型叶和根中调控花青素合成的R2R3-MYB类转录因子NtAN2微弱表达,而在花瓣中强烈表达,表明NtAN2受到发育水平的调控,且与烟草在不同发育阶段花青素的积累情况相一致。此外,野生型与转基因烟草植株叶片的NtAN2受低温强烈诱导表达,且低温处理的转基因烟草植株新叶发紫,其叶片的NtCHS、NtF3H、NtANS、NtGT和NtGST的表达水平显著高于野生型。(4)研究还发现,转基因烟草植株苗期与花期的黄酮醇合成酶基因(NtFLS)的表达水平显著低于野生型,可能导致二氢黄酮底物更多合成花青素。
综上,由于外源Lc与NtAN2的共同表达,可能发生互作,激活或增强花青素的合成,导致叶片发紫和花色加深。常温下,由于缺磷时转基因烟草植株叶片NtAN2表达水平低,虽然花青素含量有所提高,但叶片仍不发紫,转基因烟草植株尚不能通过肉眼观察来指示植株的缺磷状态。如果在烟草中同时表达Lc和NtAN2,将进一步提高转基因烟草指示缺磷的敏感性,有望培育出理想的指示作物。