拟南芥AtGDPD1在低磷环境下调控磷脂分解代谢的机制研究

磷营养缺乏常成为限制植物生长的主要因素，长期进化过程中植物形成多种适应低磷环境的方式。一些研究报道，低磷环境下植物膜脂中非磷脂成分增加、磷脂总量降低。磷脂含大量的磷素，这种改变暗示植物在低磷环境下自身能够释放大量的磷。植物调控磷脂分解代谢、释放磷，可能是其适应低磷环境的重要方式。我们的前期研究发现，拟南芥甘油磷酸二酯磷酸二酯酶(AtGDPD)基因对低磷环境胁迫应答，可能是磷脂分解代谢途径中的重要代谢成员。本项目用分子遗传学、生理生化等手段，研究AtGDPD1基因与低磷环境应答的关系，分析低磷环境下AtGDPD1基因突变体体内磷脂分解代谢物的变化、磷脂分解代谢途径的变化，揭示低磷环境下AtGDPD1在磷脂分解代谢及磷循环利用中的作用。预期结果将明确AtGDPD1在低磷环境下的功能，探讨植物调控磷脂分解代谢在适应低磷环境中的作用，对了解低磷环境下植物高效利用磷营养也具有科学意义。

磷营养缺乏是限制植物生长的主要因素之一，低磷环境下植物膜脂中非磷脂含量增加、磷脂降低，这种改变暗示植物在低磷环境下体内可能够释放大量贮存的磷。在本项目中我们获得直接证据证实这个学术推测。我们发现AtGDPD转录表达对低磷环境胁迫应答，长期的缺磷环境持续诱导AtGDPD转录。这表明AtGDPD基因在拟南芥适应低磷生长环境起重要作用。GUS染色结果显示，AtGDPD启动子活性也被低磷生长环境所激活，序列分析显示AtGDPD启动子区域存在数个PHR1转录因子结合元件。点突变PHR1结合元件的结果表明，AtGDPD1启动子被低磷环境激活与PHR1结合元件相关。我们原核表达并纯化AtGDPD1融合蛋白，体外酶活实验表明它催化水解甘油磷酸二酯GPC、GPG和GPE，且该酶对甘油磷酸二酯水解活性依赖于Mg2+，而Ca2+明显地降低酶活性。用磷脂PC、PG和PE作底物，未能检测到AtGDPD1水解活性。AtGDPD1突变体在缺磷环境下主根长显著地短于野生型，鲜重也明显地低于野生型；低磷环境上调突变体和野生型GDPD总活性，然而atgdpd1-1突变体体内GDPD总活性显著地低于野生型；低磷环境下突变体甘油-3-磷酸含量低于野生型，甘油-3-磷酸作唯一磷营养能明显恢复突变体在缺磷环境下主根短和生长量小遗传缺陷。这表明植物体内存在甘油-3-磷酸代谢途径，补偿植物缺磷时所必要的磷营养。脂质谱分析显示缺磷环境下WT和AtGDPD1突变体叶和根中PC、PE、PI、和PG等磷脂下降，而非磷脂DGDG和MGDG量明显增加，表明在缺磷环境下磷脂减少而非磷脂增加，发生了膜脂重塑的过程。然而，WT和突变体叶和根中磷脂和非磷脂间并没有差异。WT和突变体叶和根内34:1、34:2、34:3、36:2、36:3、36:4、36:5等DGDG种类量在缺磷环境下也明显升高，但WT和突变体间没有显著差异。这些结果表明AtGDPD1可能不参与非磷脂DGDG的合成或积累。缺磷环境下atgdpd1-1突变体甘油-3-磷酸低于野生型，暗示AtGDPD1代谢产物甘油-3-磷酸可能被去磷酸化生成甘油及无机磷。无机磷含量测定显示缺磷环境下突变体地上部分和根的无机磷含量显著低于WT，表明AtGDPD1在缺磷环境下参与植物体内无机磷释放或积累。这是导致atgdpd1-1突变体在缺磷生长环境下生长发育明显弱于WT的原因所在。