SPL家族调控植物响应低磷胁迫机制研究

Low phosphorus stress is one of the key environment factor in restricting crop yields. Plants have evolved many strategies to cope with phosphate (Pi) stress. However, the molecular mechanism is still not clear. The previous research showed that miR156 was induced by low Pi and it enhanced the cleavage of SPL3 target gene, which resulted in the regulation of PLDZ2 and miR399f genes expression, and the promotion of the rhizosphere acidification and adsorption of Pi. SPL1, which was not regulated by miR156, was found in the process of rhizosphere acidification when the rhizosphere acidification deficiency mutants were screened. It suggests that whether SPL family members are the target genes of miR156, they may all participate in the low Pi response process. However, the mechanism of how each SPL family member functions in low Pi response is not clear. Based on the comparative analysis of the low Pi stress characteristics of SPL genes mutants and transgenic plants, this project will dissect the low Pi response signaling pathway with SPL transcription factor involved in and the molecular mechanism of its regulation of downstream target genes. It will find a new way to cultivate low Pi tolerant crop.

低磷胁迫是制约农作物产量的重要环境因素之一。植物在长期进化过程中形成了一系列适应低磷胁迫的策略，但其分子机制仍不是十分清楚。前期研究发现：miR156的表达受低磷诱导，增强对SPL3等靶基因的剪切作用，进而调控下游PLDZ2及miR399f等基因转录，促进植物根际酸化和磷营养的吸收；在筛选低磷诱导根际酸化缺失突变体时发现，不受miR156调控的SPL1也参与了根际酸化反应过程，这表明SPL家族成员不论是否作为miR156靶基因，都可能参与低磷胁迫响应过程，但SPL家族各个成员在植物低磷胁迫响应中的作用机制还不清楚。本项目拟在比较分析SPL基因家族突变体及转基因植株的低磷胁迫特性基础上，解析SPL转录因子参与的低磷响应信号途径以及对下游靶基因调控的分子机制，为培育作物耐低磷品种开辟新的途径。

植物在生长过程中，经常遭遇低磷胁迫。为了应对低磷胁迫，植物在进化的过程中形成了一系列的适应机制。本课题组前期研究发现SPL3及上游的miR156通过调控下游基因参与了拟南芥响应低磷的一系列过程。为了进一步深入研究植物响应低磷的分子机制，本项目研究发现SPL家族中的另一重要成员SPL9也参与了磷平衡、根际酸化、花青素积累以及侧根发育过程。对SPL9的超表达转基因植株进行正常条件及低磷条件下的RNA测序，GO分析显示，低磷条件下防御反应基因与胁迫响应基因富集的比较多，这表明由SPL9所调控的低磷响应过程与防御反应和胁迫响应存在必然联系。通过观察miR399的前体基因miR399f以及SPL9的组织染色情况，发现miR399f以及SPL9表现出相反的表达模式；酵母单杂交和瞬时表达分析结果显示：SPL9能够与miR399f启动子中GTAC motif结合。为了进一步研究SPL家族上游的miR156与miR399在低磷响应过程中是否存在对话机制，将35S:MIM156（miR156功能降低植株）与 miR399f（miR399f超表达植株）杂交获得杂交转基因植株。初步分析在低磷条件下miR399可能参与了miR156调控的花青素积累和根际酸化过程，SPL家族上游的miR156和 miR399共同参与磷平衡过程。本项目通过研究SPL家族主要代表性成员参与低磷响应过程及其上下游基因的调控网络，为耐低磷作物品种的选育奠定基础。