花生AhFRDL1基因在提高植物抗鋁毒脅迫中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于基因工程領(lǐng)域，特別涉及一種花生檸檬酸轉(zhuǎn)運蛋白基因 AhFRDLl在提 高植物抗鋁毒脅迫中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，通常以難溶性硅酸鹽或氧化鋁形式存在， 對植物沒有毒害，但是在酸性條件下（pH〈5)，可溶性的鋁(主要是Al 3+)對大多數(shù)植物都 會產(chǎn)生毒害，我國酸性土壤約占全國土地總面積的21%，鋁不僅是酸性土壤上土壤酸度 的主要來源，同時由于鋁的交換量占土壤陽離子交換量的20-80%，導(dǎo)致土壤中陽離子易 于淋失，致使P、K、Ca、Mg、B、Mo等營養(yǎng)元素缺乏，因此，鋁毒害成為制約作物正常生長發(fā) 育的重要的限制因素 （Wright RJ. 1989. Soil aluminum toxicity and plant growth. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 20:1479-1497)。有石開究表 明，錯脅迫下大豆根系對N03-的吸收嚴(yán)重受阻（Lazol DB, Rincon M, Rufty JW, Mackown CT, Carter TE. Aluminum accumulation and associated effect onl5N03_influx in roots of two soybean genotypes differing in Al tolerance. Plant and Soil. 164:291-295)； 鋁脅迫使根中磷的濃度增加，可能的原因是鋁使磷在根的表面沉積，從而減低磷的運轉(zhuǎn) (Ryan PR, Skerrett M, Findlay GP, Delhaize E, Teyman SD. 1997. Aluminum activates an anion channel in the apical cells of wheat roots. Proceedings of the National Academy of Sciences. 94:6547-6552)，因而影響與磷有關(guān)的代謝活動；酸性土壤上的小 麥缺鎂，施用鎂肥只能消除癥狀，而不能改善整體營養(yǎng)；施用石灰即使不增施鎂肥，不但 可以消除鋁毒，缺鎂也自然消失，故認(rèn)為酸性土壤小麥缺鎂為鋁所誘發(fā)，其實質(zhì)是鋁毒，或 可以認(rèn)為是鋁毒的一種形態(tài)表現(xiàn)(施潔斌，秦遂初，單英杰.1997.酸性土壤小麥缺鎂與 鋁及鈣、鉀元素的關(guān)系研究.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué).6:282-284)。植物在長期的進(jìn)化過程中，逐 漸形成了許多抵抗鋁毒脅迫的生理機(jī)制，其中最直接的生理特征是植物通過根系表皮細(xì) 胞的檸檬酸轉(zhuǎn)運蛋白向外分泌檸檬酸，直接螯合土壤中的鋁，從而降低鋁對根系的毒害 效應(yīng)（Furukawa J, Yamaji N, Wang H, Mitani N, Murata Y, Sato K, Katsuhara M, Takeda K, Ma JF. 2007. An aluminum-activated citrate transporter in barley. Plant Cell Physiology. 48:1081-1091)。
[0003] 目前在植物中功能研究清楚的檸檬酸運輸?shù)鞍讓儆贛ATE蛋白家族。MATE (Multidrug and Toxic Compound Extrusion)家族是一個很大的家族，在細(xì)菌、真菌、 植物和哺乳動物中廣泛存在，該家族蛋白一般包含400-700個氨基酸，并且形成典型12 個橫跨細(xì)胞膜的跨膜區(qū)（Omote H，Hiasa M，Matsumoto T，0tsuka M，Moriyama Y. 2007. The MATE proteins as fundamental transporters of metabolic and xenobiotic organic cations. Trends in Pharmacological Sciences. 11:587-593),目前植物中 的這些蛋白同源性較低，其蛋白的同源一致性僅為40%。有研究表明，當(dāng)大麥和高粱 受鋁脅迫誘導(dǎo)時，根系會分泌大量的檸檬酸。在許多植物中，這種以MATE家族為轉(zhuǎn)運 載體分泌檸檬酸的機(jī)制是抵抗鋁脅迫的主要機(jī)制（Ma JF，Ryan PR, Delhaize E. 2001. Aluminum tolerance in plants and the complexing roleof organic acids. Trends in Plant Science.6:273-278;Kochian LV,Pineros MA, Hoekenga OA. 2005. The physiology, genetics and molecular biology of plant aluminum resistance and toxicity.Plant and Soil. 274:175-195;Delhaize E1Gruber BD1Ryan PR. 2007. The roles of organic anio permeases in aluminum resistance and mineral nutrition. Federation of European Biochemical Societies Letters. 581:2255-2262;Furukawa J1Yamaji N, Wang H1Mitani N1Murata Y1Sato K1Katsuhara M1Takeda K, Ma JF. 2007. An aluminum-activated citrate transporter in barley. Plant Cell Physiology. 48:10 81-1091;Magalhaes JV, Liu J, Guimaraes CT,等·2007. A gene in the multidrug and toxic compound extrusion(MATE)family confers aluminum tolerance in sorghum. Nature Genetics. 39:1156-1161)。
[0004] 大麥HvAACTl基因?qū)儆贛ATE家族，主要在受到鋁脅迫后的大麥植株根部表 達(dá)，主要定位在大麥根尖的表皮細(xì)胞，同時在蛙卵細(xì)胞的異源表達(dá)說明HvAACTI基因 與檸檬酸分泌有關(guān)。HvAACTl基因在煙草中的超表達(dá)與野生型煙草的比較又說明該基 因可以提高植株根系檸檬酸的分泌量，從而產(chǎn)生明顯的抗鋁脅迫能力，因此證明大麥 HvAACTl基因是一個受鋁誘導(dǎo)的檸檬酸轉(zhuǎn)運載體，可以抵抗大麥生長環(huán)境中所存在的鋁 脅迫（Furukawa J, Yamaji N, Wang H, Mitani N, Murata Y, Sato K, Katsuhara M, Takeda K, Ma JF. 2007. An aluminum-activated citrate transporter in barley. Plant Cell Physiology. 48:1081-1091)。
[0005] 高粱中SbMATE基因，也被證明是一個受鋁誘導(dǎo)的檸檬酸轉(zhuǎn)運載體，可以抵抗環(huán) 境中特別是酸性土壤中的鋁毒脅迫，從而減輕鋁毒對高粱的侵害，確保了作物產(chǎn)量，為人 類生存提供了更好的糧食保證和安全（Magalhaes JV, Liu J, Guimaraes CT,等.2007. A gene in the multidrug and toxic compound extrusion(MATE)family confers aluminum tolerance in sorghum. Nature Genetics. 39:1156-1161;Magalhaes JV. 2010. How a microbial drug transporter became essential for crop cultivation on acid soils:aluminium tolerance conferred by the multidrug and toxic compound extrusion(MATE)family. Annals of Botany. 106:199-203)。
[0006] 關(guān)于MATE基因研究最清楚的植物是擬南芥。在擬南芥中，受鋁誘導(dǎo)后，根系分 泌的檸檬酸和蘋果酸對植物抵抗鋁脅迫也起到十分重要的作用。AtMATE基因與高粱和大 麥抵抗鋁脅迫的基因具有很高的相似性，該基因編碼了一個檸檬酸運輸載體，分泌檸檬酸 螯合鋁以抵抗鋁脅迫。AtMATE主要在根中表達(dá)，在敲除了 AtMATE基因的擬南芥突變體 AtMATE-Ko中，鋁誘導(dǎo)的根系分泌的檸檬酸急劇減少，使得植物在抵抗鋁脅迫方面的能力 明顯減弱。同樣，AtALMTl基因作為蘋果酸的運輸載體，也可以分泌蘋果酸來螯合鋁，敲除 該基因的