参与调控植物低磷胁迫反应的基因克隆和功能分析

植物的生长发育受各种内源和外界信号的调控，其中包括养分信号。 磷是植物生长发育所需的一种主要养分。当植物在磷素缺乏的环境中生长时， 其根系的发育， 和体内的各种生理生化活动会出现各种相应的变化，以适应这一不良的营养环境。但目前我们对参与引起这些反应的分子调控机制还了解的很少。 本研究将以低磷胁迫诱导植物合成和分泌酸性磷酸酶这一刺激/应答反应作为研究系统，在分子水平来探求植物对低磷胁迫反应的调控机制。在前期的研究工作中，我们在拟南芥中获得了大量和低磷诱导酸性磷酸酶过程相关的突变体。我们将以这些突变体为材料，运用分子遗传学的方法，来鉴定和克隆参与植物对低磷胁迫反应的分子组分，建立植物细胞低磷信号转导的基因互作网络。本研究的结果不仅有助于我们深入了解养分信号调控植物生长发育的分子机制，而且可能为培育高效利用土壤养分的作物新品种提供理论依据。

植物在低磷环境下生长时， 会做出一系列形态发育和生理生化方面的变化,以应对这一不良的营养环境。这些应答反应包括根系结构的改变，磷转运蛋白基因表达的升高， 诱导和分泌酸性磷酸酶，花青素的积累等。但目前我们对调控这些反应的信号转导途径并不清楚。本项目的主要目的是通过对拟南芥相关突变体的研究， 来鉴定参与植物低磷胁迫信号转导的分子组分。在前期的研究中，我们获得了15个酸性磷酸酶合成过度的突变体。本课题对其中一个突变体hap1进行了深入研究。.. hap1在正常条件下， 其主根长度约为野生型的80%。而在低磷条件下，其主根长度只有野生型的1/3，说明其对低磷胁迫诱导的主根抑制表现出超敏感。另外， hap1中8个低磷诱导的标志基因的表达则较野生型高， 而花青素的积累明显低于野生型。 基因克隆表明，hap1突变体中， SABRE基因带有一个G到C的点突变， 造成相应的甘氨酸变成脯氨酸。 SABRE/HAP1蛋白的C末端序列和植物中的定位于高尔基体中的一些蛋白有较高的同源性，估计可能和蛋白的分泌有关，但其具体的生化功能不清楚。.. 过去的研究表明， SABRE可和乙烯信号途径相拮抗，来调控根皮层细胞的伸长过程。用乙烯信号传导的抑制剂Ag+来处理突变体后， 发现其根系和酸性磷酸酶的表型可恢复至野生型的水平。说明SABRE的功能可能是和乙烯信号相互作用来调节植物对低磷胁迫的反应。鉴于乙烯处理会影响根中生长素的合成，从而抑制主根的生长， 我们比较了hap1突变体和野生型根尖中的生长素的含量， 发现hap1中的生长素是野生型的2倍。进一步研究发现，突变体中多个参与生长素合成的基因表达被上调。.. 根据以上研究结果， 我们提出当植物处于低磷胁迫下时，乙烯信号转导会有所增强， 从而导致生长素合成增加， 抑制主根的生长。 SABRE和乙烯信号拮抗作用来调节植物的低磷反应。当SABRE基因发生突变后， 乙烯的信号途径获得了进一步的增强，从而使得突变体对低磷胁迫表现为超敏感。