解读 | 全基因组表达谱告诉你磷是如何限制大豆们生长的

对两种大豆材料不同磷浓度的根和叶样本进行mRNA表达谱检测分析，可以揭示大豆低磷胁迫下的分子调控机制，从而有利于高磷吸收和高磷利用大豆品种的培育，是不是很有意义和成就感？而对这方面的相关研究成果已经在2016年BMC Genomics上发表了，其中研究所采用的Affymetrix Soybean Gene 1.1 ST Array Strip检测服务正是由博奥生物旗下北京博奥晶典生物技术有限公司提供。

 

 

研究背景

 

磷，是植物生长发育必需的三大元素之一。但是磷在土壤中的有效性非常低，因为植物吸收磷的主要形态硝酸根离子极易被酸性土壤中的铁氧化合物、铝氧化合物及碱性土壤中的固定形成螯合物或沉淀，而另外20%-80%以有机磷形式存在的磷也不能被植物直接吸收利用。因此，如何提高磷的吸收和利用效率已成为影响作物产量和品质的限制因素。

 

 

大豆是人类和动物饲料中蛋白质的重要来源。但是大豆生长和产量受到多种土壤因素的影响，特别是土壤中磷的缺乏。低磷条件下，大豆植株矮小，叶面积降低，并且在下部叶片上会出现坏死斑点。而开花期缺磷则会造成花期延长、花荚数目减少等问题。虽然增施磷肥是解决这些问题的主要方式，但绝大部分施用的磷会被土壤吸附固定形成大部分植物不能吸收利用的固态磷，最后随土壤表层的径流而流入水体，造成江河湖泊的富营养化等环境问题。因此研究低磷胁迫条件下大豆吸收利用磷的遗传机理，筛选大豆磷高效利用材料、挖掘磷高效率利用相关基因是最经济最有效的解决土壤有效磷缺乏的方法之一。

 

来自南京农业大学农学院喻德跃教授课题组的程浩副教授及王晴博士等以大豆为材料，利用Affymetrix Soybean Gene 1.1 ST Array Strip对两种大豆材料不同磷浓度的根和叶样本进行mRNA表达谱检测分析，揭示了大豆低磷胁迫下的分子调控机制。该研究有利于高磷吸收和高磷利用大豆品种的培育。相关结果发表在2016年BMC Genomics（IF=3.867）上。其中，本研究中Affymetrix Soybean Gene 1.1 ST Array Strip检测服务由北京博奥晶典生物技术有限公司提供。

 

 

研究路线

 

 

研究结果

 

1.不同磷处理条件下的差异基因

低磷耐受大豆材料：CD，低磷敏感大豆材料：YH

 

研究者检测低磷和正常磷处理下，相同材料组织的差异基因。发现，不管是在根中还是叶中，低磷耐受大豆材料（CD）的差异基因远多于低磷敏感大豆材料（YH），表明CD材料可以调节一系列基因响应低磷胁迫。

处理间差异表达基因

不同组织对于低磷胁迫的差异也很明显，通过不同组织间差异比较，在CD和YH两种材料中共发现253（CD(97+1+19+0)+YH(63+0+73+0)）个与磷胁迫相关基因。

2.不同材料或组织中的差异基因

不同材料对于低磷胁迫的差异明显，通过不同材料间差异比较，在根和叶中共发现195个与磷胁迫相关基因（在低磷和正常磷条件下差异相反，或在低磷下有差异，而在正常磷条件下无差异，其中1个基因同时在根和叶中上调4倍以上）；其中在根中117（93+10+14+0）个，在叶中79（40+1+38+0）个，可见，在大豆苗期，根中低磷胁迫响应的基因多于叶中。

不同组织对于低磷胁迫的差异也很明显，通过不同组织间差异比较，在CD和YH两种材料中共发现253（CD(97+1+19+0)+YH(63+0+73+0)）个与磷胁迫相关基因。

材料间和组织部位间差异表达基因-Normal P ↑：正常磷条件下显著上调，Normal P ↓：正常磷条件下显著下调；Low P ↑：低磷条件下显著上调，Low P ↓：低磷条件下显著下调；Normal P→：正常磷条件下无显著差异，（No.）：Low P ↑(>4 fold)Normal P →(<2 fold)

3. 差异基因的RT-qPCR验证

对在低磷胁迫下CD和YH两种材料之间有差异，或者在CD和YH根中对不同磷处理有差异的13个基因进行RT-qPCR验证，结果显示，RT-qPCR和芯片结果一致。

 

 

 

 

研究结论

 

以低磷耐受大豆、低磷敏感大豆的根和叶为材料，通过不同材料或不同组织在低磷胁迫下的基因表达研究，发现低磷耐受大豆相对于低磷敏感大豆有更多的基因响应低磷胁迫，苗期时大豆根部在应对低磷胁迫中发挥重要作用；通过差异比较，最终发现了42个与低磷胁迫高度相关的基因，这些基因主要集中在氧化还原反应、激素刺激、生物和非生物刺激3个生物学过程中。

 

 

Reference:

Wang, Q., et al."A genome-wide expression profile analysis reveals active genes andpathways coping with phosphate starvation in soybean." BMC Genomics 17.1(2016):1-11.