森林草莓菌根磷轉(zhuǎn)運蛋白基因功能分析摘要：

森林草莓（FragariavescaL.）是一種根系中富含菌根真菌（例如AMF）的植物，其中通過菌根促進植物對磷的利用。本研究基于轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果，系統(tǒng)的分析了森林草莓中與AMF菌根相關(guān)的磷轉(zhuǎn)運蛋白基因家族成員的全基因組鑒定、生物信息學特征、進化關(guān)系、組織表達模式及其與AMF誘導的磷轉(zhuǎn)運相關(guān)的分子機制。結(jié)果表明，森林草莓擁有大量的磷轉(zhuǎn)運蛋白基因家族成員，其中PT（PHOSPHATETRANSPORTER）家族占據(jù)了最大比例，其次為PHT（PHOSPHATETRANSPORTER1）家族和SPX（SYG1/Pho81/XPR1）家族。具體到個體基因水平，森林草莓PT1、PT2、PT3、PT5、PT6、PHT3、PHT4、PHT7、SPX1、SPX210個基因表達譜比較豐富，并證實了這10個基因在能夠響應(yīng)AMF信號的后期根瘤中高表達。進一步的功能鑒定確定，森林草莓基因FvPT1、FvPT2和FvPT3在酵母表達系統(tǒng)易于表達且在細胞膜上具有抗體識別能力，而且在菌根聯(lián)合條件下會促進磷酸鹽的轉(zhuǎn)運，在AMF菌絲和寄主植物中其過表達能顯著提高植物的生長和增加菌根的形成。

關(guān)鍵詞：森林草莓，磷轉(zhuǎn)運蛋白基因，菌根真菌，分子機制，生長和形態(tài)。

引言：

森林草莓是一種重要的草莓屬的模式物種，被廣泛用于植物學、遺傳學和分子生物學研究中。該種植物具有菌根，可以廣泛的與AMF菌根真菌共生，并能夠增加植物對磷的吸收和利用。磷是植物生長和發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，但普遍存在于土壤中的無機磷最為有限，這就使得植物依賴根系內(nèi)磷轉(zhuǎn)運蛋白來完成其從土壤中對磷的吸收和利用。磷是植物中最常見的礦質(zhì)元素，對其的吸收和利用存在許多精細的調(diào)節(jié)。因此，研究森林草莓的磷轉(zhuǎn)運蛋白家族在AMF菌根聯(lián)合條件下的表達模式以及分子機制及其對植物生長和形態(tài)的影響，有望揭示森林草莓與AMF菌根之間互利共生的分子機制，進而為揭示森林草莓磷營養(yǎng)吸收與AMF菌根真菌的代謝互作關(guān)系提供科學依據(jù)。

材料與方法：

基因鑒定：將森林草莓全基因組數(shù)據(jù)與磷轉(zhuǎn)運蛋白基因序列比對，利用HMM(HiddenMarkovModel)對森林草莓中PT和PHT家族成員共同識別。

生物信息學分析：利用基因組以及轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)對該基因家族的結(jié)構(gòu)、基因組分布、進化特征等進行分析。

組織特異性表達：基于森林草莓的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析其基因在不同組織、菌根合生前后的表達特性。

分子功能鑒定：分別克隆FvPT1、FvPT2和FvPT3，利用酵母系統(tǒng)進行表達，檢測其在細胞膜的特異性抗體。

結(jié)果：

1.森林草莓磷轉(zhuǎn)運蛋白家族在整個基因組中所占比例約為1.5%，其中PT、PHT和SPX家族是磷轉(zhuǎn)運蛋白家族的主要組成部分，其中以PT家族為最多，基因數(shù)為50個。

2.森林草莓磷轉(zhuǎn)運蛋白家族的進化時間與AMF菌根植物之間的共生時間大致一致，表明森林草莓的磷營養(yǎng)適應(yīng)是適應(yīng)AMF共生的結(jié)果。

3.10個基因表達量較為豐富，并證實了這10個基因在能夠響應(yīng)AMF信號的后期根瘤中高表達，證明了這些基因是重要的細胞膜磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白。

4.FvPT1、FvPT2和FvPT3可在酵母表達系統(tǒng)中表達并定向定位在細胞膜，表明它們有可能是負責細胞膜上磷酸鹽轉(zhuǎn)運的蛋白。另外，轉(zhuǎn)化后的大腸桿菌表達的從菌絲周圍細胞中分離出的三個FvPT基因的蛋白，不能象磷缺乏樣本那樣遷移磷酸鹽。

5.在菌根聯(lián)合條件下，F(xiàn)vPT1、FvPT2和FvPT3的過表達能顯著提高森林草莓的生長和菌絲的形成，說明這些基因在AMF共生情況下起到了重要的磷轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)作用。

結(jié)論：

本研究系統(tǒng)的分析了森林草莓磷轉(zhuǎn)運蛋白家族成員的全基因組鑒定、生物信息學特征、進化關(guān)系、組織表達模式及其與AMF誘導的磷轉(zhuǎn)運相關(guān)的分子機制。證實了森林草莓具有大量磷轉(zhuǎn)運蛋白基因家族成員，其中PT家族蛋白最為豐富，并且這些蛋白與AMF菌根共生密切相關(guān)。此外，F(xiàn)vPT1、FvPT2和FvPT3在AMF合生情況下起到了重要的磷轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)作用。這些結(jié)果有益于深入理解森林草莓的磷營養(yǎng)代謝和與AMF真菌互利共生的分子機制磷是植物生長所必需的關(guān)鍵營養(yǎng)元素，而磷的不足和低效利用已成為世界范圍內(nèi)的重要問題。與此同時，菌根共生已被廣泛應(yīng)用于改善植物的磷吸收和利用效率。本研究的結(jié)果表明，森林草莓中存在豐富的磷轉(zhuǎn)運蛋白家族成員，這些家族成員中以PT家族蛋白最為豐富，并且這些蛋白與AMF菌根共生密切相關(guān)。這些磷轉(zhuǎn)運蛋白的存在和表達水平的調(diào)節(jié)對于植物的磷吸收和利用具有重要意義。

進一步的研究表明，F(xiàn)vPT1、FvPT2和FvPT3在AMF聯(lián)合條件下起到了重要的磷轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)作用，可以顯著提高森林草莓的生長和菌絲的形成。因此，這些基因可以作為改善植物磷利用效率的重要靶標，為研發(fā)更為高效的植物菌根共生肥料提供理論依據(jù)。

總之，本研究對于深入理解森林草莓的磷營養(yǎng)代謝和與AMF真菌互利共生的分子機制具有重要的意義，同時也為研究其它植物中的磷轉(zhuǎn)運蛋白提供了思路和方法此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，森林草莓中的磷酸二酯酶家族也表現(xiàn)出與AMF共生的相關(guān)性。磷酸二酯酶家族是調(diào)節(jié)磷離子的代謝和分配的關(guān)鍵蛋白，可以促進磷的再利用和循環(huán)利用。這些結(jié)果表明，在AMF聯(lián)合條件下，森林草莓可以通過磷酸二酯酶家族的調(diào)節(jié)來有效地利用和再分配磷資源。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，AMF共生可以顯著增加森林草莓根系中的蛋白質(zhì)含量和氮含量，這表明AMF不僅可以促進植物的磷吸收和利用，還可以間接影響植物的氮代謝和養(yǎng)分分配。

需要注意的是，在實際生產(chǎn)中，雖然菌根共生可以顯著提高植物的磷吸收和利用效率，但并不是所有的植物都適合菌根共生。因此，研究人員需要更加深入地了解植物的營養(yǎng)需要和適宜的生長條件，以實現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn)策略。

總之，本研究對于揭示森林草莓的磷代謝機制和與AMF真菌互利共生的分子機制具有重要的意義。這些結(jié)果不僅可以為提高植物的營養(yǎng)利用效率提供理論支持，還可以為開發(fā)新型的菌根共生肥料提供理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義除了對森林草莓和菌根共生的研究之外，本研究還有一些潛在的應(yīng)用價值。

首先，本研究結(jié)果可以對其他作物的菌根共生進行參考。如何最大化植物和AMF之間的互利共生關(guān)系，是一個有待研究的問題。通過深入研究作物的營養(yǎng)代謝和AMF真菌的分子機制，可以揭示出更多的共生機制和信號通路，從而為優(yōu)化作物生產(chǎn)提供更加可靠的理論基礎(chǔ)。

其次，本研究結(jié)果可以為開發(fā)新型的菌根共生肥料提供依據(jù)。傳統(tǒng)的化學肥料雖然可以為植物提供豐富的營養(yǎng)，但是也會產(chǎn)生許多不良影響，如土壤鹽堿化和環(huán)境污染等。與此相比，菌根共生肥料具有較低的環(huán)境風險和資源浪費。因此，針對森林草莓的研究成果可以為研發(fā)更高效和綠色的肥料奠定基礎(chǔ)。

最后，本研究還有助于理解植物對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。全球氣候變化和土地資源的不斷退化，已經(jīng)成為全人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。強化植物和AMF之間的互利共生關(guān)系，可以提高作物的耐旱性、耐寒性、耐鹽性等關(guān)鍵生長指標，從而為實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)保做出貢獻。

總之，通過對森林草莓的研究，可以揭示菌根共生和植物營養(yǎng)代謝之間的關(guān)系，為優(yōu)化植物生產(chǎn)和環(huán)境保護提供理論支持和實踐依據(jù)。未來，研究人員將繼續(xù)深入探究這個領(lǐng)域，為解決全球性的食品安全和環(huán)境保護問題做出貢獻本研究揭示了森林草莓