高级醇 · 代谢工程文献库

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Overexpression of the bacterial phytase US417 in Arabidopsis reduces the concentration of phytic acid and reveals its involvement in the regulation of sulfate and phosphate homeostasis and signaling

作者
Nibras Belgaroui, Ikram Zaidi, Ameny Farhat, Hichem Chouayekh, Nadia Bouain, Sandrine Chay, Catherine Curie, Stéphane Mari, Khaled Masmoudi, Jean-Claude Davidian, Pierre Berthomieu, Hatem Rouached, Moez Hanin
单位
Laboratoire de Protection et Amélioration des Plantes, Centre de Biotechnologie de Sfax, BP “1177” 3018, Sfax, Tunisie; Laboratoire de Microorganismes et de Biomolécules, Centre de Biotechnologie de Sfax, BP “1177” 3018, Safax, Tunisie; Institut National de la Recherche Agronomique, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Montpellier 2, Montpellier SupAgro, Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes, Bat 7, 2place Viala, 34060 Montpellier cedex 2, France; Université de Sfax, Institut Supérieur de Biotechnologie, BP “1175” 3038 Sfax, Tunisie; International Center for Biosaline Agriculture (ICBA), P.O.Box 14660, Dubai, UAE
杂志
Plant and Cell Physiology（2014）
DOI
10.1093/pcp/pcu122
所属领域
植物代谢工程
关键词
Homeostasisphosphorusphytasephytic acidsignallingsulfate
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解决的核心问题

如何在降低植物种子中植酸（PA）含量的同时不牺牲植株生长能力，并阐明PA在调节硫酸盐和磷酸盐稳态及信号传导中的生物学作用。

研究策略

将枯草芽孢杆菌的植酸酶基因PHY-US417在拟南芥中组成型过表达，获得低植酸转基因系，通过表型分析、离子含量测定、基因表达分析以及与低植酸突变体ipk1-1的比较，研究PA降低对磷和硫稳态及信号的影响。

研究路线图

100%
核心问题：如何降植酸不损生长？
策略：过表达细菌植酸酶PHY-US417于拟南芥
关键改造：组成型表达PHY-US417获得低PA系
结果1：种子PA降40%，酶活升8-28倍
结果2：磷饥饿恢复后鲜重/干重净增50%
结果3：地上部Pi高40-50%，SO4高45%
结果4：PHT1;1/4、PHO1;H1、SULTR1;2上调，IPS1/AT4被诱导
结果5：铁动员加快，根毛伸长，磷感知改变
结论：PA调控磷/硫稳态与信号，低PA育种新手段
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核心内容

该研究在拟南芥中组成型过表达枯草芽孢杆菌植酸酶基因PHY-US417，获得低植酸转基因系L7和L9，其种子植酸含量较野生型降低约40%，且萌发和幼苗建成未受损害。体外添加纯化植酸酶可使低磷培养基上幼苗鲜重增加约5倍。转基因系植酸酶活性分别达野生型的约8倍和28倍。磷饥饿恢复后，转基因系鲜重和干重净增加最高达50%；磷饥饿条件下地上部磷含量比野生型高40–50%，硫酸盐含量高约45%。基因表达分析显示PHT1;1、PHT1;4、PHO1;H1、SULTR1;2等转运蛋白基因上调，IPS1和AT4在正常供磷时仍被诱导，根毛在富磷条件下仍伸长，表明植酸降低改变了磷感知与信号传导。与低植酸突变体ipk1-1的比较提示铁动员加快。结果表明植酸不仅是磷储存物质，也参与硫酸盐和磷酸盐稳态及信号调控，过表达细菌植酸酶为培育低植酸作物提供了可行策略。

创新点

首次提供植酸参与硫酸盐和磷酸盐稳态及信号传导调控的证据；利用细菌植酸酶在拟南芥中实现种子PA含量降低约40%，且不影响萌发和幼苗建成；发现低PA促进铁动员和磷饥饿后的恢复生长。

研究对象（8）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 植酸降解 phy-US417 PHY-US417 植酸酶 催化 来源于枯草芽孢杆菌，在拟南芥中组成型过表达，使种子PA降低约40%。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 磷酸盐转运 PHT1;1 PHT1;1 磷酸盐转运蛋白 转运 在PHY-US417过表达根系中表达上调。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 磷酸盐转运 PHT1;4 PHT1;4 磷酸盐转运蛋白 转运 在PHY-US417过表达根系中表达上调。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 磷酸盐转运 PHO1;H1 PHO1;H1 磷酸盐转运蛋白 转运 在PHY-US417过表达根系中表达上调，但PHO1无显著变化。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 硫酸盐转运 SULTR1;2 SULTR1;2 硫酸盐转运蛋白 转运 在PHY-US417过表达根系中表达上调。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 磷信号转导 IPS1 — 调控 磷饥饿诱导的非编码RNA，在低PA转基因系中于+Pi条件下仍被诱导。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 磷信号转导 AT4 — 调控 磷饥饿诱导的非编码RNA，在低PA转基因系中于+Pi条件下仍被诱导。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 植酸生物合成 IPK1 肌醇多磷酸激酶 催化 突变体ipk1-1为低植酸突变体，用于与转基因系比较，其PA水平降低且表型相似。

关键发现

  1. 转基因系L7和L9种子PA含量比野生型降低约40%；体外添加纯化的PHY-US417使低磷培养基上的幼苗鲜重增加约5倍；L7和L9的植酸酶活性分别为1.31±0.81 U/g FW和4.79±0.64 U/g FW，是野生型（0.17±0.04 U/g FW）的约8倍和28倍；磷饥饿恢复后，L7和L9的鲜重和干重净增加最高达50%；磷饥饿条件下转基因系地上部Pi含量比野生型高约40-50%，SO4含量高约45%；萌发后2天，低PA转基因系和ipk1-1突变体维管组织中铁浓度显著低于野生型，表明铁动员加快；PHT1
  2. PHT1
  3. PHO1;H1、SULTR1;2基因表达上调，IPS1和AT4在正常供磷条件下仍被诱导，根毛在+Pi条件下仍伸长，表明磷感知和信号传导改变。

研究结论

过表达细菌植酸酶PHY-US417能有效降低拟南芥种子植酸含量且不损害萌发能力，改善磷饥饿后的生长恢复；植酸是调控磷酸盐和硫酸盐稳态及信号传导的重要因子，有望成为培育低植酸作物的有效生物技术手段。