应用蛋白质组学方法解析耐低磷玉米高光效的分子机制

光合作用是作物产量形成的物质基础，改善光合效率是提高作物单位面积产量的重要措施之一。磷饥饿会直接影响作物的光合作用，从而影响作物的产量。本项目在已有工作基础上开展低磷胁迫下玉米高光效突变体叶绿体的差异蛋白质组研究。利用比较蛋白质组学的方法，研究低磷胁迫下不同光合效率玉米叶片叶绿体响应低磷胁迫的蛋白质差异，旨在揭示耐低磷高光效突变体99038叶绿体响应低磷胁迫在蛋白质水平上的应答机制，寻找叶绿体响应低磷胁迫的相关关键蛋白，并进一步研究这些关键蛋白在光合作用代谢网络途径中的作用，为揭示玉米光合作用系统应对低磷胁迫的机制提供重要资料，且有望为低磷胁迫下玉米高光效的改良提供新策略。

磷是一种最重要的植物营养素, 几乎参加了包括光合作用在内的植物中主要代谢过程，植物磷素营养状况影响植株叶片叶绿体的光能转换和利用。本工作利用细胞工程技术以齐319为亲本获得耐低磷突变体99038（代号：齐319-96），突变体99038具有低磷下光合效率高、叶片无机磷浓度高的特点。本研究围绕在低磷下自交系99038与齐319相比为什么具有高光效，99038光合系统中哪些蛋白发挥了关键作用这一问题，利用比较蛋白质组学技术探讨了99038和齐319叶片蛋白在低磷胁迫下的差异。叶片比较蛋白学和生理学结果表明低磷下99038可以通过重塑膜脂成分和提高V-ATPase的活性提高细胞内无机磷的利用来应对地磷胁迫，从而提高叶片中的无机磷水平。此外，99038还通过提高叶绿素合成、卡尔文循环、碳泵等相关蛋白的表达，从而改善低磷下99038叶片的光合性能。叶绿体比较蛋白组学和生理学结果表明电子传递链中Cytb6-f复合体和叶绿体中ATP合酶的α亚基、β亚基PSII的捕光叶绿素a/b 结合蛋白、PSⅡ23 kDa蛋白(OEE2)、PSI的铁氧还蛋白-NADP+氧化还原酶以及D1蛋白修复相关蛋白HCF136、FtsH在低磷胁迫下99038叶片叶绿体中它们的表达丰度均显著高于野生型齐319。在低磷胁迫下99038的PSⅡ和PSⅠ保持更高的活性，光合电子传递与磷酸化能力高于齐319，表现为在低磷下具有更高的光能捕获、传递和利用能力，从而表现出在低磷下具有更好的碳同化能力。本工作为揭示玉米光合作用系统应对低磷胁迫的机制提供重要资料，为利用基因工程改良玉米高光效奠定了基础。