OsSPX6协同其同源蛋白精细调控水稻低磷胁迫响应的分子机制研究

Phosphorous is an essential nutrient for plant growth and biological processes. Pi is often limited for plants because of its low bioavailability in the soil. To cope with an inadequate supply of phosphate (Pi), plants have evolved a series of Pi deficiency induced responses to protect intracellular Pi homeostasis. OsPHR2, a MYB transcription factor, is a central regulator in Pi-signaling pathway. Under Pi deficiency condition, the transcription activity of OsPHR2 will be enhanced and then its downstream PSI genes are induced. It is an extremely important procedure in Pi signaling pathway. Our studies have demonstrated that SPX class protein members OsSPX1-5 possessed the ability to regulate the activity of OsPHR2 in unique way and then finely control the expression levels of PSI genes. OsSPX6 is the only one member which has not been studied in SPX class. This research plans to begin with development of necessary genetic materials , and then apply a series of molecular biological technologies to reveal the regulation mode of OsPHR2 mediated by OsSPX6, determine the biological function of SPX6 in Pi-signaling pathway, and finally elucidate the fine regulation mechanism of SPX class proteins in responses to Pi-deficiency . This study will increase the understanding of the integrated regulation mechanism of SPX class proteins in Pi-signaling, provide further insight into the regulatory mechanisms of Pi uptake and homeostasis in plant and provide new approaches to improve nutrient acquisition efficiency of crop in the future.

磷是植物生长必需的大量元素之一，土壤中可溶性无机磷缺乏是导致植物减产的主要原因之一。磷缺乏时，植物会产生一系列的低磷响应过程保持体内磷平衡，其中磷信号通路中心因子OsPHR2转录活性增强进而诱导其下游磷信号基因表达的过程尤为关键。我们已有的研究表明水稻SPX家族中OsSPX1-5能通过各自独特的方式调节OsPHR2的转录活性精细调控磷信号基因的表达水平，而OsSPX6为唯一未得到研究的SPX家族蛋白。本项目将在前期工作基础上，从发展所需遗传材料入手，利用分子生物学手段系统探明OsSPX6调控OsPHR2的方式，明确OsSPX6在磷信号通路中的功能，并进一步阐明OsSPX6协同OsSPX1-5精细调控植物低磷胁迫响应的分子机制。本项目的开展可以使SPX家族在磷信号通路的功能和分子作用机制研究更为系统完整，有利于完善植物磷信号分子网络，并为培育养分效率利用的农作物新品种提供新思路。

磷是植物生长所必需的大量元素之一，无机磷（Pi）是植物所需的主要磷营养元素来源。土壤中可溶性无机磷含量不高，磷缺乏成为导致植物减产的主要原因。磷缺乏时，植物通过对植物磷信号通路的精细调控来产生一系列生理响应来应对这种胁迫。但植物如何感受外界无机磷水平以及随之引起的转录水平和一系列胁迫响应的分子调控机制还未完全阐明。早前研究表明磷通路中心因子OsPHR2 （PHOSPHATE STARVATION RESPONSE REGULATOR 2，此后称为PHR2）在调控缺磷响应方面发挥了重要作用。近期的多项研究成果表明含有SPX 结构域（SYG1，Pho81 and XPR1）的蛋白通过调控PHR2在植物磷信号通路中发挥重要作用。本研究以单子叶模式植物水稻为研究材料，运用反向遗传学和生物化学方法阐述了水稻中OsSPX6（此后称为SPX6）在水稻缺磷响应中的功能和分子机制。研究发现SPX6过表达导致植物体内磷浓度和缺磷诱导诱导基因（PSI）表达量的下降；而SPX6表达水平的下降或基因突变导致磷浓度显著上升和叶片中PSI基因表达水平的上调。正常磷条件下，SPX6过表达可以PHR2过表达导致的磷超过量积累的症状。后续研究表明在正常磷条件下SPX6 蛋白稳定存在，并通过与PHR2 互作改变其亚细胞定位或者在细胞核内直接阻止PHR2结合其顺式元件使植物一系列缺磷响应基因维持在基础水平；当植物处于缺磷条件下，SPX6 发生降解，释放出的PHR2进入细胞核从而诱导植物的缺磷响应。本研究还发现SPX6与其同源蛋白SPX4功能类似，两者互相协作共同参与了植物磷信号通路。综上所述，本研究表明SPX6为调控磷信号通路的新成员，并阐明了SPX6通过调控PHR2参与缺磷响应。本研究完善了植物磷信号通路模型，并为开发磷高效吸收利用的植物新品种提供坚实的理论基础和遗传材料。