小麦菌根中氮转运蛋白基因表达特征及信号调控途径研究

The expression and regulation of nitrogen transporter genes in wheat root is one of the study frontiers of plant nutrition worldwide. The project based on the fact that wheat roots could be colonized by arbuscular mycorrhizal (AM) fungi generally in the agroecosystems, will fristly elucidate the influence of different AM fungal inoculation on the expression of nitrogen tranporter genes in wheat root via quantifing the gene expression level using real time PCR method;and then,wheat split root compartment culture system as well as shade treatments will be established, to study the roles of nitorgen and phosphorus nutrient signals, AM fungal colonization signal and carbon allocation signal in regulating nitrogen transporter genes expression in wheat root associated with AM fungi. In addition, we will do bioinformatics analysis on the amino acid sequences of the ammonium transporters (AMT) in GeneBank as well as the nucleotide sequeces of AMT genes, and then design gene specific primers, to clone AM specific induced AMT genes in wheat root, quantify the expression level in wheat root, and also locate the expression position using fluorescence in situ hybridization (FISH) method. The project aims to get further and comprehensive understanding of the expression profiles and regulation mechanisms of nitrogen transporter genes in wheat roots associated with AM fungi, and also provides scientific basis for the improvement of nitrogen using efficiency of wheat via gene engineering approach.

本项目瞄准小麦根内氮转运蛋白基因的表达和调控机制这一国际前沿性课题，结合小麦根系普遍被丛枝菌根（AM）真菌侵染这一客观事实，首先使用实时荧光定量PCR技术定量基因表达水平，阐明不同种类AM真菌接种对小麦根内氮转运蛋白基因表达的影响；在此基础上，设置小麦分根分室培养系统以及遮荫处理试验，系统揭示氮磷养分信号、AM真菌侵染刺激信号和碳分配信号等三种信号途径在调控小麦菌根中氮转运蛋白基因表达过程中的作用；最后，通过对目前小麦根内铵态氮转运蛋白（AMT）氨基酸序列及其编码基因序列进行生物信息学分析，设计基因特异性探针，尝试克隆AM真菌特异诱导性AMT基因序列，定量其表达水平，并利用荧光原位杂交技术定位基因表达部位，旨在全面和深入了解小麦菌根内氮转运蛋白基因的表达和调控机制，以丰富人们对小麦根内氮转运蛋白基因表达和调控机制的认识，为通过基因工程手段提高小麦氮利用效率的最终实现提供科学依据。

深入理解小麦根内氮转运蛋白基因的表达调控机制对于认识小麦的氮素吸收的分子生物学机理具有重要意义。在实际农田生态系统中，小麦的根系是和丛枝菌根（AM）真菌形成菌根共生体的形式存在的，因此，研究小麦根内氮转运蛋白基因的表达调控不能忽视AM真菌的作用。本研究以AM真菌和小麦根系形成共生体系为研究对象，主要研究了（1）不同AM真菌接种对小麦菌根内2个低亲和力硝态氮转运蛋白（NRT）基因（TaNRT1.1和TaNRT1.2）、3个高亲和力NRT基因（TaNRT2.1, TaNRT2.2,TaNRT2.3）和3铵态氮转运蛋白（AMT）基因(TaAMT1.1、TaAMT1.2和TaAMT2.1)表达的影响；（2）研究了氮磷养分信号以及碳分配信号在调控小麦菌根内氮转运蛋白基因表达中的作用；（3）受AM真菌诱导表达的铵态氮转运蛋白基因的克隆。主要研究结果如下：.（1）接种AM真菌可以下调或不调控小麦根内氮转运蛋白基因的表达，但下调作用是主要的，其调控作用依AM真菌种类或氮转运蛋白基因类型的不同而具有较大差异。.（2）接种AM真菌可以局部下调、系统下调或系统上调小麦根内氮转运蛋白基因的表达，但以局部下调为主。.（3）AM真菌吸收的氮、磷养分信号并非是AM真菌调控小麦根内氮转运蛋白基因的主要原因.（4）碳分配信号并非是AM真菌调控小麦根内氮转运蛋白基因的主要原因。.（5）克隆了1个小麦根内受AM真菌诱导表达的铵态氮转运蛋白基因。该基因受AM真菌侵染诱导表达，表达部位为小麦的根系细胞膜。.本项目的研究对于更加全面和深入了解小麦菌根中氮转运蛋白基因的表达调控机制，进而揭示小麦-丛枝菌根真菌共生体的氮素吸收转运机制具有重要意义。