锌铁转运蛋白家族在氮、锌调控小麦根系发育中的作用机制研究

Crop nutrient use efficiency is an important limiting factor in crop growth and formation of its yield and quality. In traditional regulation pattern of soil fertilization, the production efficiency has been greatly reduced, and deterioration of the environment remains a glaring problem. It is primary problems needed solved to explore new way of plant nutrition regulation and increase the nutrient use efficiency. Root is a mainly organ in the crop nutrient absorption. Its absorption processes are affected by genetic control, nutrient transport, signaling transduction and so on. The most importance is these problems are unsolved. According to this situation, the project is instructed by principle of root nutrition regulation, taken the ZIP of wheat root as the breakthrough point, taken the root efficiency of metabolism, and absorption of nitrogen and zinc as the main line of study, taken the advanced molecular techniques as tool, combined with the traditional crop cultivation technology, to study the function of the ZIP family members in the wheat root growth regulated by nitrogen and zinc. These results are very important to analyse the molecular mechanism which could clarify the expression regulated by nitrogen and zinc, and analyze the potential contribution of the ZIP family numbers to efficient utilization of root nutrients. This project provides the basis for the root nutrition regulation technology and the high-yield resistance cultivation of wheat.

作物养分利用效率在很大程度上制约着作物生长及产量品质的形成。传统改土施肥养分调控模式带来的作物增产效益大幅度下降、资源环境恶化问题日渐显露。探索植物营养调控新途径，提高养分资源利用效率已成为农业生产亟待解决的问题。根系作为植物吸收养分的主要器官，其吸收过程受到遗传调控、养分运输、信号传递等多个过程的影响，且这些机制的阐明还缺乏相应的研究结果。针对这一现状，本项目以根系营养调控原理为指导，以小麦根系锌铁转运蛋白家族为切入点，以ZIP家族成员——根系氮、锌代谢——根系氮、锌吸收效率为研究主线，以先进的分子生物学技术为工具，结合传统的作物栽培学技术，阐明锌铁转运蛋白家族成员在氮、锌调控小麦根系发育中的功能，进而分析其表达状况对小麦根系响应氮、锌调控的分子机制，阐明锌铁转运蛋白家族成员对根系养分高效利用的潜在贡献，为创建小麦根系营养分子调控技术，作物高产抗逆栽培措施提供依据。

锌铁转运蛋白（ ZIP） 家族是根系锌转运系统合成、代谢途径的重要调控因子。但其关于如何调控根系对养分吸收的分子机制尚不清楚。鉴于此，本项目以ZIP1、ZIP3、ZIP5、ZIP7这4个家族成员为切入点，以小麦根系为研究对象，探索锌铁转运蛋白家族在氮、锌调控小麦根系发育中的作用机制。通过一系列研究，我们发现，氮、锌营养调控下，不同小麦生育时期，根系中ZIP家族成员的表达模式差异显著。利用荧光定量PCR技术研究不同处理下小麦根系ZIP基因的表达情况，发现在氮或锌胁迫时，除TaZIP5以外，TaZIP1、TaZIP3和TaZIP7的相对表达量均显著增加。通过VIGS技术验证发现，基因沉默后，ZIP家族成员的表达量均显著降低。同时，研究不同氮、锌水平对小麦根系氮、锌代谢相关生理指标的影响，结合ZIP家族成员在基因沉默前后对小麦根系的影响差异，探明了ZIP家族成员与小麦根系氮、锌代谢的内在联系。结果表明，氮、锌配施条件下，小麦根系生长状况优于单施氮肥或单施锌肥，中氮中锌处理与低氮低锌处理差异达极显著水平。基因沉默后，ZIP家族成员对小麦根系氮、锌代谢影响显著。在此基础上，结合小麦根系形态结构特点、吸收动力学参数以及产量形成因素，揭示了氮、锌养分调控下ZIP家族成员调节小麦根系生长的分子机制。该研究成果为深入揭示作物根系营养调控机理、挖掘作物养分资源高效利用率和增产节肥栽培措施提供理论依据和技术指导。