甘蓝型油菜PHT1家族基因的分子、表达特征及其与磷高效的关系

Brassica napus, an important oilcrop, is extremely sensitive to phosphorus (P) deficiency and has a high requirement of P. The PHT1 family genes play important roles in plant P acquisition. In the previous research, we found 48 PHT1 family genes were existed in B. napus genome. However, It is unknown about the role of these B. napus homologous genes in P uptake and transport as well as their relationship with high P uptake efficiency in elite germplasm of B. napus. In this research, characteristics including gene structure and evolution and expression profile of the PHT1 family genes will be analyzed to uncover their response to low P stress. The relationship between P efficiency and PHT1 family genes will be analyzed, and 1-2 important candidate PHT1 family members which function in B. napus high P efficiency will be identified by candidate-gene association mapping. The favorable alleles will be isolated, and functional genetic loci will be developed. Then, alleles of the candidate genes in B. napus high-P-efficient and low-P-efficient genotypes will be isolated, respectively. And sequence difference, gene subcellular localization analysis, transgenic analysis and transcriptome analysis will be conducted to clarify gene function, possible regulation networks, and the molecular genetic mechanism for efficient P uptake and transportation in B. napus. The result of this research will not only enrich our knowledge about PHT1 family genes in plant, but also provide new elite genes for genetic improvement of P efficiency in B. napus, and thus has important theoretical and practical significance.

油菜是重要的油料作物，需磷较多且对缺磷敏感。PHT1磷转运蛋白基因家族在植物吸收转运磷方面发挥重要作用。我们研究发现油菜PHT1家族有48个成员，但它们对油菜磷吸收转运的作用及与磷高效优异种质高效吸收转运磷的关系并不清楚。本项目拟1）研究油菜PHT1家族的结构、进化等分子特征，分析该家族基因在油菜全生育期不同组织部位的表达特征；2）分析PHT1家族与油菜磷高效遗传位点的关系，结合候选基因关联分析确定1-2个参与油菜磷高效的PHT1家族重要候选基因，挖掘其在自然群体中的优良等位基因及可能的功能性遗传变异位点；3）克隆候选基因，通过酵母异源表达、组织细胞定位、转基因研究、转录组测序等探明基因的功能及可能的作用网络，解析油菜磷高效吸收转运磷的分子遗传机制。本项目研究结果将丰富对植物PHT1磷转运蛋白家族的认识，同时为油菜磷效率的遗传改良提供优异基因资源，具有重要的理论和实践意义。

PHT1磷转运蛋白家族在植物磷吸收转运过程中发挥了重要作用。油菜作为产油效率最高的油料作物之一，其磷素吸收转运的调控过程并不清楚。本项目系统研究了揭示PHT1家族基因的分子进化特征和表达特征，结合全基因组关联分析和候选基因关联分析，揭示了甘蓝型油菜PHT1家族重要基因与其磷高效的关系，挖掘了重要基因的优异单倍型，然后通过分子遗传手段解析了基因的功能。研究发现，甘蓝型油菜全基因组中有49个PHT1家族成员，分布在15条染色体上，大部分基因编码氨基酸的长度在500氨基酸左右。其中有28个成员的表达水平较高或响应低磷胁迫，部分基因会响应氮、钾、铁、硫等养分胁迫环境，少数基因会响应生长素和细胞分裂素刺激。各基因在不同组织部位的表达模式差异较大，表明基因功能可能出现分化。通过对49个成员的表达模式、基因互作网络及与油菜磷高效位点的关系分析，筛选出6个重要基因。全基因组关联分析在油菜苗期和成熟期及正常磷和缺磷水平下共定位了1463个SNP位点，其中C09和C07染色体上与低磷条件下产量相关性状的位点在关联分析和连锁分析同时检测到，其中BnaPT48位于C09染色体的位点区间内。候选基因关联分析表明，发现BnaPT48的5个SNP位点与低磷胁迫下产量显著相关，其中稀有等位基因的单倍型Hap1（TTTGC）在低磷胁迫下产量更高，是磷高效单倍型。基因功能研究表明BnaPHT1家族重要基因定位于细胞膜上，具有磷转运活性。敲除或超表达BnaPHT1家族重要基因会显著改变甘蓝型油菜的磷吸收转运过程。本项目的研究结果丰富了对植物PHT1磷转运蛋白家族的认识，为油菜磷效率的遗传改良提供了优异基因资源，同时为开展油菜耐低磷胁迫转基因新品种的培育提供了理论基础。