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生物地球化学与环境修复团队在蜈蚣草磷转运蛋白吸收转运砷磷功能研究中取得新进展

       磷(Phosphorus, P)是植物所需的重要营养元素,对于维系植物生命活动、促进植物生长起重要作用。在土壤环境中,磷主要以磷酸盐(Phosphate)的形式并通过磷酸盐转运蛋白(Phosphate transporter; Pht)被植物吸收。因此,通过表达Pht提高植物对磷的吸收,对于高效利用土壤中的磷,减少磷肥的施用量,促进植物生长和作物增产具有重要意义。然而,由于磷酸盐转运蛋白也同时介导砷酸盐(Arsenate,AsV)的转运,表达Pht也可能同时增加植物对砷(Arsenic, As)的吸收,从而威胁食品安全并导致健康风险。
       我院生物地球化学与环境修复团队通过对蜈蚣草磷转运蛋白基因进行挖掘和筛选,克隆得到了蜈蚣草中一个高效的磷转运蛋白基因:PvPht1;2。蜈蚣草喜碱性钙质土壤,磷的生物有效性极低,表明蜈蚣草具有从环境中高效吸收和获取磷的能力,推测可能与高效磷转运蛋白PvPht1;2有关。为深入研究基因功能,研究人员将PvPht1;2基因分别导入模式植物烟草中,并对其基因功能进行了深入分析。
       转基因烟草水培实验表明,PvPht1;2编码一个有功能的磷转运蛋白,可提高转基因烟草对磷的吸收,导致植物组织中磷含量显著提高,并极大地促进了植物的生长。通过32P同位素吸收实验发现,在烟草中表达PvPht1;2不仅显著增加了植物对磷的吸收,还显著提高了植物根部向地上部P的转运。数据表明,相较于野生型对照,转PvPht1;2基因烟草32P的转运系数提高了69−92%,而木质部汁液中磷的浓度提高了46−62%。此外,和大多数磷转运蛋白同时吸收转运砷不同,PvPht1;2并没有砷转运能力,因此在提高植物磷吸收的过程中不会导致砷吸收和积累的增加。
       为进一步验证PvPht1;2在植物砷磷吸收中的特性,研究人员开展了转基因烟草土培实验。结果表明,在实际土壤环境中,表达PvPht1;2仍可显著增加烟草对磷的吸收和转运,提高植物组织中磷的积累,并显著促进植物的生长发育,同时并不会导致植物组织中砷含量的升高。这一重要结果表明,即使在砷轻度污染土壤中,通过表达PvPht1;2提高作物磷吸收、促进植物生长的策略仍然可行,且不会对食品安全产生不良影响。
图1 表达PvPht1;2基因显著提高烟草对磷的吸收并促进烟草生长。(A)加磷(+P)或(B)缺磷(-P)条件下野生型烟草WT和表达PvPht1;2基因烟草(Ox1、Ox10和Ox21)的生长;(C)RT-PCR分析PvPht1;2基因在转基因烟草中的转录表达;(D)加磷(+P)或(E)缺磷(-P)条件下烟草的生物量统计;(F)加磷(+P)或(G)缺磷(-P)条件下烟草根部和地上部磷含量统计。

       这一研究成果于2018年4月5日正式发表于环境科学领域重要期刊《Environmental Science & Technology》(doi: 10.1021/acs.est.7b06674)。该研究工作的第一作者为曹越博士,通讯作者为陈焱山副研究员和马奇英教授。研究得到了南京农业大学徐国华教授课题组的支持与帮助,得到了国家自然科学基金(Grant No. 21637002 and 21707068)、江苏省青年基金(Grant No. BK20160649)以及国家重点研发计划(Grant No. 2016YFD0800801)的资助。

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