苹果缺铁胁迫下铁素再分配效率及其调控途径研究

Iron deficiency is one of key factors that limit the development of apple industry. So far, it remains unclear whether Fe compartmentalization regulate Fe-deficiency response. In this study, we use Fe-efficient genotype Malus xiaojinese as the material, to reveal the important mechanism that how iron redistribution regulate Fe-deficiency responses. This research proposal contains three major parts: studying on filter the key siderophores about Fe compartmentalization and Fe-deficiency responses, the first part is the basic molecular study on whether iron compartmentalization or redistribution involve in the Fe-deficiency responses, and screen the key iron transporters. The second part is on functional verification and characteristic of candidate genes to determination how the key genes respond to Fe-deficiency stress, and reveal whether iron redistribution has a role in Fe-deficiency resistance in planta. Finally, to uncover the transcriptional regulation mechanism by identification on relevant transcriptional factors of the key genes. In this study, not only have a further contribution to understand molecular mechanism in apple Fe-deficiency-resistance, but also have an important significance on Fe-deficiency-resistance breeding or molecular manipulation.

缺铁是限制苹果产业发展的重要因素之一，但迄今对调控苹果缺铁应答反应是否涉及铁区隔化调控尚不清楚。本项目以铁高效基因型小金海棠为试材，拟从缺铁胁迫下铁‘区隔化’存在的状态及其控制因素的角度，揭示可能控制缺铁应答反应的重要再分配机制。研究内容包括三个主要部分：第一部分“铁区隔化及缺铁应答关键铁载体筛选研究”，旨在揭示缺铁应答反应是否受铁的区隔化或再分配的调控，且筛选出调控过程中关键的铁载体基因；第二部分“候选基因的功能验证及其作用机理解析”，旨在最终确定操纵铁再分配的关键基因如何响应缺铁胁迫，及揭示铁再分配是否操纵植物抗缺铁胁迫的能力。第三部分“‘铁载体关键基因’的上游调控途径探究”，旨在通过鉴定该基因上游转录调控元件及相应转录因子，明确其转录调节机制。本研究不仅有助于深入了解苹果抗缺铁的分子机理，同时对苹果抗缺铁育种或分子改良具有重要意义。

缺铁是限制苹果产业发展的重要因素之一，苹果缺铁机理已有一定研究，但迄今对调控苹果缺铁应答反应是否涉及铁区隔化调控尚不清楚。本项目用铁高效基因型小金海棠为试材，从缺铁胁迫下铁‘区隔化’存在的状态及其控制因素的角度，以揭示可能控制缺铁应答反应的重要再分配机制。研究结果表明，缺铁胁迫下不同苹果嫁接复合体的特异响应组织主要集中在根和茎部位，且筛选得到调控过程中关键的铁载体基因CAX3；CAX3基因可参与转运铁，并降低胞质pH、增加AHA的活性。在小金海棠中沉默CAX3基因表达后，根表pH极显著增加，表明CAX3基因可影响根际pH参与缺铁应答反应。进一步筛选得到CXIP1基因可与CAX3基因N端自抑区互作，有效激活CAX3基因功能活性。基于此，本研究得出小金海棠和山定子响应缺铁的差异调控机制，即CAX3基因mRNA在缺铁后由叶向根进行了传递，到达小金海棠根中后由CXIP1基因激活引起缺铁响应，而山定子中CXIP1基因不表达、进而影响了其缺铁响应。本研究不仅有助于深入了解苹果抗缺铁的分子机理，同时对苹果抗缺铁分子育种具有重要意义。