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接种菌根菌和供磷水平对砷胁迫下番茄的生长及磷酸盐转运蛋白基因表达的影响

王萍  
【摘要】: 砷是土壤污染中最严重的有毒元素之一。土壤中的砷通过植物的吸收和富集进入食物链,从而对动物或人体产生一系列的毒害作用。目前世界各地砷的污染已经越来越严重,我国南方部分地区砷污染的问题也亟待解决。 前人的研究表明,由于磷砷在物理和化学结构上的相似性,使得在砷污染条件下,植物对磷与砷的吸收表现出一定的拮抗作用,施磷往往减少植物对砷的吸收;环境中的砷能跨过根系细胞膜上高亲和的磷素转运蛋白进入植物体内;许多植株对于砷的抗性增强很可能是通过抑制高亲合的磷素吸收系统来减少砷的吸收而实现的。然而,至今为止,植物磷砷之间交互作用的生理学机制,特别是在分子水平上的作用特征仍然不明确。此外,接种菌根菌可调控植物磷酸盐转运蛋白基因的表达,提高植物对介质中磷素的吸收和利用,有可能减轻外源砷对植物的毒害作用,但在分子水平上还没有直接的证据表明它们之间可能存在的相互关系。因此,有必要深入研究供磷水平和接种菌根菌在植物抗砷毒害方面所起的作用,特别是磷酸盐转运蛋白基因表达调控与植物体砷的吸收和累积之间的关系。目前,尽管番茄中已经克隆到了五个属于Phtl家族的磷酸盐转运蛋白基因,但不清楚它们是否参与供磷水平和菌根菌侵染对提高抗砷毒害方面所起的作用。 本论文以目前作为模型植物的Micro-Tom番茄作为研究对象,研究了接种Glomus intraradices菌根菌下不同磷水平和不同浓度外源砷对番茄植株生长的影响,同时还研究了不同磷浓度下0.05mmol·L~(-1)外源砷胁迫对于番茄植株生长及磷酸盐转运蛋白基因表达的影响,此外也研究了0.05mmol·L~(-1)外源砷胁迫下菌根专性诱导表达的磷酸盐转运蛋白基因LePT4缺失突变体(lept4)和其野生型Micro-Tom的不同响应情况。主要研究结果如下: 通过不同砷浓度下Glomus intraradices菌根菌侵染番茄的试验研究了砷对番茄植株生长及菌根菌对植株体内磷砷吸收和累积的影响。结果表明,当环境中有0.05mmol·L~(-1)的外源砷存在时,番茄植株在生物量上就会呈现出较明显的砷毒害症状,而对菌根菌自身来说,只有大于0.05 mmol L~(-1)的外源砷处理才会抑制Glomus intraradices对番茄植株根部的侵染能力。Glomus intraradices的侵染增加了番茄植株的生物量,降低了番茄植株体内的砷浓度,增强了番茄植株对低浓度(0.05 mmol L~(-1))和中浓度(0.25 mmol L~(-1))外源砷的抗性。 通过不同磷浓度下番茄植株在0.05 mmol·L~(-1)外源砷胁迫下的生长状况及其体内磷酸盐转运蛋白基因表达情况的研究发现,砷对番茄植株地上部生长的抑制作用大于其对根系的毒害作用,在低磷浓度(=0.2 mmol·L~(-1))下外源砷的存在能显著降低植株体对磷的吸收,而在外界磷浓度较高(=0.6 mmol·L~(-1))时无此影响。提高供磷水平能够显著改善番茄植株的生长状况,增加植株的生物量,并显著降低植株体内砷的含量。在低磷和中磷供应水平下(=0.4 mmol·L~(-1)),0.05 mmol·L~(-1)外源砷的存在对番茄植株体内磷酸盐转运蛋白的表达没有显著影响。 通过Glomus intraradices接种试验比较番茄lept4(菌根特异性诱导表达的磷酸盐转运基因)突变体和其Micro-Tom野生型(WT)对磷砷吸收的差异发现,在没有砷处理情况下,LePT4的突变极显著降低了番茄经菌丝体获取磷素的能力和菌根菌侵染对番茄生长的改善效果。0.05 mmol L~(-1)外源砷的添加显著降低了菌根菌对lept4突变体植株根部的侵染,而对野生型的侵染率无显著影响。添加外源砷没有显著影响两个受茵根特异性调控表达的番茄磷酸盐转运蛋白基因LePT4和LePT5的表达。但对于野生型,无论是相对生长量还是砷的吸收,LePT4突变均不能增强对0.05 mmol·L~(-1)外源砷的抗性。接种菌根菌的植株地上部和地下部的砷累积均极显著降低。无论有没有菌根菌的侵染,LePT4的突变均不影响番茄对砷的吸收和转运,因此,在番茄植株中砷的吸收和转运可能有不同的途径。


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