低磷脅迫調控植物根構型變化的分子機理研究

《低磷脅迫調控植物根構型變化的分子機理研究》是依託清華大學，由劉棟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低磷脅迫調控植物根構型變化的分子機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：劉棟
• 項目類別：面上項目

項目摘要

磷是植物生長和發育必需要的一種主要元素。植物在低磷條件下生長時會作出一系列的應答反應， 以適應這一不良的營養環境。其中一個主要的反應是根構型的變化， 即在低磷脅迫下， 植物的主根生長受到抑制， 同時生成大量的側根和根毛， 以有利於植物更好地從土壤中吸收磷素。 這一根構型的變化是植物在逆境條件下一個主動的發育模式的調整過程。 但目前關於低磷脅迫調控植物發育模式改變的分子機理尚不清楚。 本研究以模式植物擬南芥為材料， 運用分子遺傳學方法， 通過對已獲得的對低磷脅迫回響異常的突變體的分析， 來探索低磷脅迫重塑植物根構型的分子機理。 本研究的結果不但有助於我們深入了解環境因子調控植物發育的分子基礎， 還有可能為運用基因工程培育高效利用土壤養分的作物新品種提供理論依據。

結題摘要

植物在低磷環境下生長時，在根的形態發育方面會發生一些列的變化，包括主根生長受到抑制， 側根的生長受到促進， 並誘導生成大量根毛。本項目的主要目的是通過對三個擬南芥hps（hypersensitive to phosphate starvation）突變體的研究， 來揭示低磷脅迫誘導根構型變化的分子機理。在本項目執行期間，獲得了以下研究結果：（一） 突變體hps3在低磷條件生長時， 其主根明顯短於野生型，而且形成大量的根毛。在hps3中，ETO1基因中發生一個點突變。ETO1基因編碼一乙烯合成的負調控蛋白。當其發生突變時， 導致植物體內乙烯合成量大大增加。以上研究結果為乙烯是植物低磷脅迫誘導根構型變化的重要調節子， 提供了進一步的遺傳學證據。 （二）突變體hps4在低磷條件生長時下，其對低磷脅迫誘導的主根抑制表現出超敏感。在hps4，SABRE基因帶有一個點突變。用乙烯信號傳導的抑制劑Ag+來處理突變體後， 發現其根系表型可恢復至野生型的水平，說明SABRE/HPS4的功能可能是和乙烯信號相互作用來調節植物對低磷脅迫的反應。我們還進一步發現hps4中的根尖的生長素是野生型的2倍。以上的研究結果表明，低磷脅迫可能誘導了根尖中乙烯信號轉導的增強，並進一步促進了根尖生長素含量的增加，從而抑制了主根的生長。（三）突變體hps7在低磷條件下，其主根在種子萌發三天后就停止生長，並形成多個側根，說明其對低磷脅迫誘導的根構型變化表現出超敏。HPS7基因編碼一個蛋白絡氨酸磺基轉移酶。運用RNA-Seq方法，我們發現在低磷條件下，突變體根部的光合作用相關基因的表達被極大地上調，並且其整個根組織中積累了大量的葉綠素和活性氧。而根尖超量的活性氧積累造成突變體在低磷條件下生長時，主根收到嚴重抑制。通過這些研究，我們提出了“根中光合作用基因表達的下調對於植物在低磷條件下維持其正常生長是必須的”這一假說。（四）另外， 我們還對一個根生長發育缺陷的突變體ara (altered root architecture)進行了深入研究，發現ARA基因編碼一個含有D-isomer specific 2-hydroxyacid dehydrogenase domain的蛋白。含有這一domain的酶通常和一些胺基酸的合成有關。通過進一步的實驗， 我們推測ARA基因可能編碼一個參與高絲氨酸合成的脫氫酶。