低磷胁迫下玉米胚乳淀粉粒发育与磷转运的关系机制研究

Corn yield depends chiefly upon the grain starch content. The synthesis of starch is regulated by the AGPase, which is inhibition of inorganic phosphorus(Pi).Pi is the main form of transportation in plant. The uptake and transport of Pi is mediated by the phosphate transporter protein located in the cytoplasmic membrane. Phosphorus transport protein gene expression is closely related to the soil available phosphorus content and phosphorus levels.Understanding the mechanism of relationship under low phosphorus stress of maize endosperm starch granule development and phosphorus transport is still very shallow. Taking the maize inbred lines of different starch content and phosphorus use efficiency as the object of study, this research project based on the design of different phosphorus treatments focuses on the development characteristics, structure and grain size distribution characteristic of endosperm starch granule in different stages of grain development. The research explores the relationship between the expression of phosphorus transport protein genes and the starch grains growth aimed at proving the physiological and biochemical mechanisms of corn grain endosperm starch formation to provide the theoretical basis and technical approach for the high yield and efficiency corn cultivation.

淀粉是玉米籽粒的主要组成成分，淀粉的合成受ADP-Glc焦酸化酶（AGPase）限速调控，AGPase定位于细胞质中，被细胞质中的无机磷（Pi）抑制。Pi是玉米体内磷的主要运输形式，其转运由位于细胞质膜上的磷转运蛋白介导。磷转运蛋白编码基因的表达受土壤中有效磷含量及其体内磷水平等影响。目前对低磷胁迫下玉米胚乳淀粉粒发育与磷转运的关系机制的认识尚十分浅薄。本项目拟以不同淀粉含量和磷利用效率的玉米自交系为研究对象，设计不同的供磷水平处理，重点研究不同生育阶段胚乳淀粉粒的发育特征和磷的跨膜运转机理；淀粉合成限速酶-AGPase活性变化；磷转运蛋白编码基因表达特征，旨在探明低磷胁迫对玉米胚乳淀粉粒发育与磷转运的调控效应和作用机制，为玉米高淀粉新品种培育及高产高效栽培提供理论依据和技术途径。

淀粉是玉米籽粒的主要组成成分，淀粉的合成受AGPase限速调控，AGPase定位于细胞质中，被细胞质中的无机磷抑制。Pi是玉米体内磷的主要运输形式，其转运由位于细胞质膜上的磷转运蛋白介导。磷转运蛋白编码基因的表达受土壤中磷含量及体内磷水平影响，目前对于低磷胁迫下玉米胚乳淀粉粒发育与磷转运的关系机制的认识尚十分浅薄。本项目以不同淀粉含量和磷利用效率的玉米自交系为研究对象，设计不同的供磷水平，研究了不同生育阶段胚乳淀粉粒的发育特征和磷的运转规律，淀粉合成限速酶AGPase活性，磷转运蛋白编码基因表达特征等，结果表明：（1）授粉后11天，胚乳细胞的细胞壁明显变薄，细胞内容物显著增多，细胞内已明显可见大大小小的淀粉粒，且越靠近胚乳内层，细胞中的淀粉粒越大、数量越多；（2）在吐丝后15 d时籽粒ADPG焦磷酸化酶活性品种间差异显著，以Qx4232F最大，鲁原43最小。吐丝后15 d，ADPG焦磷酸化酶活性与淀粉含量趋势相似；（3）随着灌浆的进行，玉米籽粒淀粉粒的粒径逐渐增大。小粒径淀粉粒的体积、表面积所占比例显著降低，数目比例基本不变；相反，大粒径淀粉粒的体积表面积比例显著升高，而数目比例变化较少；（4）高淀粉组和耐低磷组共检测到2906个差异表达基因，约占玉米整个基因组的 10％左右。其中，有 2645个基因表达量上调，261个基因表达量下调。（5）对表达量较高的差异基因进行功能验证和分析表明，这些差异基因分别参与了多种新陈代谢途径，次级代谢产物合成，离子转运，转录调控，激素信号转导，以及其他的压力应答。（6）高淀粉玉米木质部中运输总磷量的71.93%被运到上部叶，且其中有56.93%的磷量又被韧皮部输出；木质部中运输总磷量和根积累磷量有63.22%来自韧皮部的再循环，其余来自根系的吸收。耐低磷玉米木质部中运输总磷量的31.12%被运到上部叶；木质部中运输总磷量和根积累磷量有52.19%来自韧皮部的再循环，其余来自根系的吸收。（7）探明了低磷胁迫玉米胚乳淀粉粒发育与磷转运的关系，将为玉米育种及高效栽培提供理论支撑。