《玉米CCD8基因回響低磷脅迫的調控機制和功能研究》是依託中國農業大學，由李學賢擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：玉米CCD8基因回響低磷脅迫的調控機制和功能研究
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：李學賢
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
缺磷是制約我國玉米中低產地區產量持續提高的主要因素之一，但是玉米如何回響低磷的深層分子和遺傳機制並不清晰。我們研究發現，缺磷強烈誘導玉米根中CCD8基因（類胡蘿蔔素裂解雙加氧酶8）可變剪接，至少產生CCD8-1、CCD8-2、CCD8-3（從長到短）三種轉錄本；其中，CCD8-1表達上調100多倍。CCD8-1和CCD8-2能夠對擬南芥同源基因突變體的多分枝表型進行互補；而對照條件的轉錄本CCD8-3在N端缺失三個β摺疊，不能互補擬南芥同源基因突變體的多分枝表型。種間比較研究表明，CCD8的這種低磷可變剪接回響在栽培玉米和野生玉米之間是保守的。鑒於此，本申請將利用分子生物學、生物化學、和表觀遺傳學等方法深入研究玉米CCD8基因回響低磷的可變剪接調控、蛋白定位、蛋白相互作用、基因調控網路、可變剪接體的生物學功能、以及可變剪接的表觀遺傳調控機制，為玉米磷高效品種選育和持續增產提供新的理論支撐。
結題摘要
通過植物營養生理與分子生物學研究，深入解析玉米CCD8與CCD8b功能及其調控玉米磷高效利用的分子機制，取得如下重要進展：一、玉米類胡蘿蔔素裂解雙加氧酶CCD8催化裂解多種類胡蘿蔔素，其表達水平直接受供磷強度調控，且通過多種轉錄本差異調控磷吸收利用效率：(1)ZmCCD8在根系與雌穗高水平表達，且在低磷條件持續上調錶達，增幅可高達140倍。在根系，ZmCCD8主要在伸長區和分生區表達，其蛋白定位於質體。(2)ZmCCD8具有可變剪接特徵，在磷充足條件以缺失ß摺疊的短版轉錄本為主導，而低磷誘導長轉錄本大幅表達。(3)短版和長版CCD8蛋白都至少催化裂解6種線性及環狀類胡蘿蔔素底物，但是短版CCD8不能抑制max4突變體分枝，長版CCD8卻有效減少max4分枝，表明長版和短板CCD8蛋白具備類似的基本生化功能，但短版CCD8喪失介導獨腳金內酯合成的生物學功能。(4)CCD8長轉錄本過表達促進根系生長，增強磷轉運蛋白表達，在低磷條件提高磷吸收和轉移利用，導致更多磷向地上部轉運而耐低磷脅迫；而較短轉錄本過表達降低轉基因株系磷吸收，且將更多磷分配到根系，從而對低磷敏感。二、ZmCCD8b不介導獨腳金內酯合成，是CCD家族獨特的進化成員，通過PHR通路調控磷吸收與分配，從而增強玉米耐低磷能力。(1)ZmCCD8b在根系受低磷誘導上調錶達，特別是在冠根根尖與中柱鞘強烈表達，其蛋白也定位於質體。(2)ZmCCD8b有效催化裂解β-胡蘿蔔素等線性及環狀類胡蘿蔔素底物，產生香葉基丙酮、β-紫羅蘭酮等香氣物質。(3)ZmPHR能夠結合ZmCCD8b啟動子區域的PIBS元件，並調控ZmCCD8b表達。ZmCCD8b干擾導致葉片類胡蘿蔔素含量下降，ZmCCD8b干擾株系通過PHR1-PHO2-PHO1途徑調控磷吸收與分配、抑制地上部生長而不耐低磷。ZmCCD8b過表達提高葉片類胡蘿蔔素含量，增強“信號”途徑及磷轉運蛋白基因表達，在低磷條件優先將磷分配到地上部而更耐低磷。類似地，CCD7調控獨腳金內酯合成並調控玉米低磷回響。三、ZmPHR直接調控胺基酸轉運，是磷營養與氮營養的內在聯結點。ZmPHR是玉米低磷的核心調控因子，能夠結合併調控廣譜胺基酸轉運蛋白基因ZmAAP2和ZmLHT1表達，從而調控玉米籽粒發育。此外，發現玉米、穀子、擬南芥具有迥異的低磷、低氮回響機制，並總結了植物低磷回響的生理和分子機制。
