植物营养与分子生物学

These nine Pht1 genes are located on chromosomes 1, 2, 3, and 5, respectively. The diagram depicts introns (thin lines) and exons (black boxes).
Phylogenetic analysis of Arabidopsis phosphate transporter protein sequences.
In various metabolic pathways: ion transport, signal transduction, transcriptional regulation, and other processes related to growth and development.
导入柠檬酸合成酶提高Papaya耐铝毒能力 (Fuente JM et al 1997)
Plant Physiol. Molecular Biology
Agronomy
Genetics
Molecular Genetics
Genomics Proteomics Plant Metabomics Nutriology Environ. Plant Nutriomics Ecology Ionomics
Soil Science
Medical Science
Rec.
Signal transduction
Plant Nutriomics
Müller and Kersten, 2003
molecule to be transported carrier proteins electrochemical gradient
终止子
植酸酶基因表达盒
（From Chen 2005）
(A) WT plants in the presence of 5 mM NaCl.
(B) Transgenic plants in the presence of 5 mM NaCl. (D) WT plants grown in the presence of 200 mM NaCl. (E) Transgenic plants in the presence of 200 mM NaCl.
Transgenic
WT
转基因植株和对照的田间 表现。
A 至D, 盆载, E: 水培，F、 G和 H分别为低氮低磷和 正常营养条件下田间的结 果 A：0 毫克磷每公斤土, B和D：30 毫克磷每公斤 土, C：200 毫克磷每公斤土,
( From Lian 2005)
UBI启动子
Extensin 信号肽 植酸酶基因
植物营养学 与现代生物技术
徐芳森
植物营养学 研究植物营养原理与施肥的科学。 植物营养原理 研究植物对营养元素的吸收、运转、 分配和利用，以及植物体与环境之间营养 物质和能量转化过程及其调控的科学。
营养
利用
转移
运输
P X
(P) (T)
T
养分
吸收
A
地上部
B
3 土壤
根Baidu Nhomakorabea
2 1
营养
利用 转移
植物必需营养元素（定义，分类， 种类）？ 有益元素？ 每个必需营养元素的吸收（代谢 与同化）、体内含量、分配、营 养功能、缺乏（或中毒）症状 （诊断）？
Traditional Understanding on Plant Nutrition
Agronomy Plant Physiology
Crop Plant
Plant Nutrition
Soil Science
Soil
Fertilizer
Soil Science
Modern Discipline of Plant Nutrition
IRT1
IRT1 -WT WT
拟南芥中分离到铁转运蛋白IRT1。
ZIP微量元素转运基因小结 基因 IRT1 RIT1 ZIP1 ZIP2 ZIP3 ZIP4 ZNT1 物种 拟南芥 豌豆 拟南芥 拟南芥 拟南芥 拟南芥 天蓝菥蓂 克隆方法 Fe2+吸收 Fe2+ / Zn2+ / Cd2+吸收 Zn2+吸收 Zn2+吸收 Zn2+吸收 ？ Zn2+ / Cd2+吸收 定位 根 根 根 ？ 根和苗 根和苗 根和苗
active transport
N
Two families of nitrate transporter genes have been identified to date: the NRT1 and NRT2 families.
NRT1 family of nitrate transporters
Main stem
0.024
10.55
0.15
28.72
0.245 0.586
23.73 26.68
Flower
Bud
1.23
1.84
5.67
11.48
3.46
1.96
7.85
7.00
Total
32.85
89.37
45.63
78.21
Enzymology
Isotope trace technique
2001, 19 :765-768 nature biotechnology
Plant Ionomics
Focus on genes that control uptake and accumulation of solutes, including Ca, K, Mg, P (plant macronutrients), Co, Cu, Fe, Li, B, Mn, Mo, Ni, Se, Zn (micronutrients of significance to plant and human health As, Cd, Na and Pb (elements causing agricultural or environmental problems)
B
At1g15460 At1g74810 At2g47160 At3g06450 At3g62270 At4g32510 At5g25430
双子叶植 物和非禾 本科单子 叶植物铁 吸收模式 图
Fe
从拟南芥中分离到根三价铁还原酶基因FRO2。 它负 责电子跨膜转运的黄色细胞色素超家族中的一员。
CHL1 participates in both low and high affinity uptake.
NRT2 family of nitrate transporters
The NRT2 family of genes encode nitrate-inducible, high affinity nitrate transporters.
extracellular space
channel protein
lipid bilayer
cytoplasm simple diffusion channel-mediated transport carrier-mediated transport energy
passive transport (facilitated diffusion)
克隆到的编码K+转运蛋白的植物基因
基因 KAT1 KST1 AKT1 AKT2/13 SKT1 SKT2 SKT3 KCO1 SKOR HKT1 AtKUP1 AtKUP2 HvHAK1
物种 拟南芥 马铃薯 拟南芥 拟南芥 马铃薯 马铃薯 马铃薯 拟南芥 拟南芥 小麦 拟南芥 拟南芥 大麦
定位 保卫细胞和维管组织 保卫细胞和花芽 表皮和皮层根组织 叶 根、叶的表皮组织 ？ ？ 花，全株小苗，叶 根星型细胞 根内皮层、根维管结构 根、叶、花 根、叶、花 根
养分
运输
吸收
每个必需营养元素所对应的肥料（种类、性质和施用 技术等）？ N,P,K 肥料三要素? 微肥？单质肥料与复合肥料？有机 与无机肥？含Cl-肥料与含SO4 2- 肥料？ 施肥与环境？ 配方施肥？
Liebig (1840) “Organic chemistry in its application to agriculture and physiology ”
David E. Salt. Plant Physiology, 2004
Thanks
Ca通道(主要通过与3-磷酸肌醇（IP3）或ADP-核
糖作用)维持细胞原生质膜的Ca 2+浓度。
Ca
H+/ Ca 2+
反向转运子
主要功能是 维持细胞原
生质膜保持
较低的Ca 2+ 浓度。
植物中广泛的代谢和发育信号都可以引发 胞质中游离Ca 2+ 的提高。
游离Ca 2+ 提高的直接作用目标包括离子通道， 转运子，还包括钙调蛋白、含有钙调蛋白域的 蛋白激酶等。
S
Overview of sulfur uptake, reduction, and transport in plants
APS: 5-腺苷酰 硫酸 PAPS: 3‘－磷 酸腺苷－5-磷 酰硫酸
Model of a Plant S transporter with 12 regions spanning the plasma membrane
抗盐性一般是多基因控制的，具有数量遗传性状的复杂性， 呈“多因一效”的模式。
Number of genes induced (A) or repressed (B) in low Pi. Comparison of short-term (diamonds，3，6，12 h), mediumterm (squares, 1,2 d), and long-term (circles, 5 µM ) experiments. Julie et al, PNAS, 2005, 102:11934-11939
A: Mineral Element Theory (矿质营养学说） B: Nutrient Return Theory （归还学说） C： Minimum Nutrient Law （最小养分律）
尤•李比西 (1803---1873)
Macroelement Microelement
C, H, O,N, P, K, Ca, Mg, S Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Cl Na, Si, I, V, Co, Ni
Cytosol
ATP ADP + Pi
Citrate, acetate
Phosphate
Fe2+
Phosphate-H+ cotransport H+-ATPase H+ H+
Fe2+ Fe3+ channel reductase
Citrate
H+ H+ H+
Fe2+ Citrate, acetate Phosphate Fe-citrate Fe-phosphate Fe-acetate
Soil
K
The first high-affinity K+ transporter, HKT1, was cloned by complementation of yeast trk1trk2 K+ transport mutant with a cDNA library
a mass of 59 kDa and contain 12 membrane-spanning domains Expression of HKT1 in Xenopus oocytes gave rise to large inward currents in the present of K+.
AMT1 family of NH4+ transporters
Model for the feedback regulation of the AtAMT1.1 gene by N metabolites.
P
A model for secondary Pi transport across the plasma membrane.
Beneficial element
CO2
Uptake and distribution of boron at flowering stage (µ g) B-ineffi. -B Oldest leaf 11.02 +B 17.27 -B 7.70 B-effi. +B 13.70
Youngest leaf