河南農業大學與中科院遺傳發育所合作在一區Top期刊上發表研究論文

近日，河南農業大學農學院馬新明與中國科學院遺傳所左建儒團隊合作在Plant Biotechnology Journal期刊發表題為“TaPHL7 Transcription Factor RegulatesUtilisationof Nitrogen and Phosphorus in Wheat”的研究成果。河南農業大學農學院馬新明教授、中國科學院遺傳與發育生物學研究所左建儒研究員為本論文的共同通訊作者，河南農業大學農學院博士生王華麗、張志勇副教授為論文第一作者。

以TaGS1;3啟動子為誘餌，通過酵母單雜交（Y1H）對小麥籽粒cDNA文庫進行篩選，鑒定MYB家族候選轉錄因子TaPHL7。通過Y1H、蛋白凝膠阻滯（EMSA）與染色質免疫沉淀和定量PCR（ChIP-qPCR）證明它能夠識別P1BS基序與TaGS1;3-4D啟動子結合，通過雙熒光素酶報告基因檢測試驗進一步證明TaPHL7負向調控TaGS1;3-4D啟動子的表達。表明TaPHL7通過識別P1BS基序結合TaGS1;3-4D啟動子抑制其轉錄活性（圖1）。

圖1：TaPHL7通過結合TaGS1;3-4D啟動子抑制其轉錄活性

利用遺傳轉化技術獲取TaPHL7過表達和CRISPR-Cas9介導的突變T3代純合株系后，將遺傳材料在北京、河南兩地種植，對其農藝性狀調查顯示，在幼苗營養生長期taphl7突變體相比較野生型出現窄葉表型；在抽穗期，taphl7突變體相比較野生型株高增加，分蘗增多，抽穗日期延后4-5 d；但呈現早熟表型，單株產量增加；而TaPHL7過表達植株中與野生型無顯著差異。表明TaPHL7在調節植物生長發育中發揮重要作用（圖2）。

圖2：TaPHL7調控植物生長和發育

為了探究TaPHL7在磷信號轉導中的作用，水培條件下用濃度分別為0.20 mM KH2PO4（正常磷，NP）和0.01 mMKH2PO4（低磷，LP）檢測了小麥野生型ZM7698及taphl7突變體植株中的磷反應。在正常磷或低磷條件下，TaPHL7功能缺失抑制側根發育，降低磷吸收與轉運能力。此外，qRT-PCR結果表明，TaPHL7功能缺失導致磷饑餓響應基因PSR（TaPHT1;9、TaSPX3）的表達在低磷條件下顯著下調，表明TaPHL7功能缺失后導致磷信號轉導通路受損。ChIP-qPCR及雙熒光素酶試驗進一步證實，TaPHL7通過結合磷轉運蛋白基因TaPHTs（TaPHT1;9、TaPHT1;3）啟動子，正向調節TaPHTs的表達，促進磷的獲取（圖3）。

圖3：TaPHL7正向調控Pi信號傳導和Pi吸收

TaPHL7功能缺失在開花期旗葉中表現為總氮含量增加，灌漿期籽粒中GS酶活性增加，氮同化及再動員能力增強；而過表達TaPHL7的植株則與此相反。穩定同位素試驗表明：TaPHL7功能缺失促進了幼苗期硝酸鹽的吸收、轉運能力。表明TaPHL7在營養生長及生殖生長階段均負向調控氮的吸收、轉運及再分配（圖4）。

圖4：TaPHL7負調控氮代謝

為了探討TaPHL7是否參與調控氮-磷信號通路以影響植物生長發育。TaPHL7通過不同的機制調控氮和磷的信號傳導：硝酸鹽可能通過解除TaPHL7對TaNRT2.1和TaNRT2.2的轉錄抑制來發揮作用，同時直接促進TaPHT1;3和TaPHT1;9的表達。由于TaPHL7可能調控氮和磷的利用，進行為期兩年的田間試驗中探討了其在籽粒產量方面的潛力。TaPHL7功能缺失提高了單株產量、穗粒數和千粒重。這些結果表明，在自然栽培條件下，TaPHL7功能缺失突變可促進早熟并提高籽粒產量（圖5）。

圖5：TaPHL7調控的氮磷利用調節籽粒產量