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磷是植物生命过程中最重要的矿质元素之一,不仅参与植物重要分子如ATP、核酸和磷脂等的组成还在能量转移、代谢调节和蛋白激活中起着关键作用。虽然许多土壤中含有丰富的磷,但在土壤中,作为植物直接可利用的游离无机正磷酸盐浓度非常低,通常为1至10μmol/L。土壤中磷的低可用性是由于正磷酸盐的负电荷导致阳离子快速螯合,从而使土壤无机磷被高度固定。茶树(Camellia sinensis(L.)O.Kuntze)主要种植于酸性土壤中,其芽叶是用来生产世界三大无酒精饮料之一的茶叶的原料。为适应酸性土壤有效磷的缺乏,茶树在长期进化过程中形成一整套耐低磷机制,从根系结构、根际土壤环境的改善以及磷转运蛋白(Phosphate transporter proteins,Phts)基因的表达等方面进行调整,以更好地适应低磷环境。了解茶树低磷耐受分子机制并克隆出相关基因对于创造耐低磷的优良品种、提高茶叶品质具有重要意义。迄今为止,大多数被克隆并鉴定的植物磷转运蛋白都属于Pht1。植物为了适应这个低磷的环境已经进化出一整套机制包括根结构的改变,根际土壤的改善,有机酸的分泌,磷转运蛋白的表达等。通过挖掘调控磷高效吸收利用的基因资源,培育磷高效利用的品种,已成为研究的热点。研究表明,植物主要通过在细胞膜上表达多种磷转运蛋白来吸收土壤中的有效磷。本研究利用RT-PCR技术和RACE克隆技术从茶树中克隆到两个高亲和磷转运蛋白基因CsPht1;(CsPT4)/CsPht1;1(CsPT1),试验结果如下:(1)本试验以茶树’龙井长叶’(Camellia sinensis cv.Longjingchangye)为试验材料,采用同源克隆的方法首次克隆获得茶树磷转运蛋白编码基因CsPT4的全长cDNA(GenBank登录号:KY132100)。该基因全长1642bp,开放阅读框(ORF)1620 bp,编码539个氨基酸。生物信息学分析显示,CsPT4基因编码蛋白分子量为59.12 KD,理论等电点(pI)为8.51;具有典型的Pht1家族特性:“6—亲水—6”跨膜结构。荧光定量PCR表明:CsPT4在正常生长的茶树根、茎、嫩叶、老叶中均有表达,在老叶中的表达量较高,在根部表达最低。低磷(1 μM)处理茶树后,与对照相比,根和叶中CsPT4上调表达水平均先上升后下降;根部CsPT4表达量48 h内各个时间点均高于叶部。缺磷(0 μM)处理后,与对照相比,根和叶中CsPT4上调表达水平均升高;根部和叶部分别在72 h和48 h达最大值。(2)本试验以水培茶树品种’龙井长叶’为试验材料,采用RT-PCR技术克隆获得茶树磷转运蛋白编码基因CsPT1的全长cDNA(GenBank登录号:KY886916)。该基因全长1687 bp,开放阅读框(ORF)1626 bp,编码541个氨基酸;分子量59606.23(Da),理论等电点8.79。同源比对发现,其氨基酸序列与油茶(AFU07481.1)、芝麻(XP011073524.1)、胡桃(XP018827352.1)、麻风树(XP012085328.1)、烟草(XP019253650.1)的同源性分别是99%、87%、85%、85%、85%。HMMTOP对CsPT1进行的跨膜区拓扑结构预测结果显示:CsPT1具有12个跨膜域,保守序列GGDYPLSATIMS位于第4个跨膜域,预测结果与报道的其他物种Pht1跨膜区结构一致。不管低、缺磷处理在所有的时间点CsPT1表达水平都高于对照。(3)茶树高亲和磷转运蛋白基因CsPT4亚细胞定位和功能分析:构建了绿色荧光蛋白(GFP)与目的基因的融合表达载体,通过基因枪转入到洋葱表皮中瞬时表达,在共聚焦显微镜观察到绿色荧光在质膜上出现,研究证明CsPT4基因表达蛋白的功能位置是质膜上。将CsPT4导入酵母PHO84缺失突变体,结果表明,CsPT4能够与缺失磷转运功能的酵母突变体实现互补,并在低磷条件下促进酵母突变体对磷的吸收。使用放射性同位素32p测得CsPT4所编码蛋白在酵母中的Km值为35.3 μM,属于高亲和磷转运蛋白。