PPT1在低磷诱导拟南芥根际酸化反应中的作用及分子机制研究

Phosphorus (P) is a essential elements ,which play an import role in the constitution of cellular components and in signal transduction processes.Plants acquire phosphorus in the form of phosphate (Pi), The concentration of which is often limited for plant uptake. Root-induced chemical and biological changes play a vital role in enhancing the bioavailability of soil P. We have developed a high-throughput screening system aimed at identifying components regulating low phosphate-induced rhizosphere acidification by visualization of rhizosphere pH with bromocresol purple as pH indicator. Dozens of the mutants were isolated from T-DNA insertion mutant library by this screening technology. ppt1 is one of the mutants we have isolated. ppt1 lost the function of low phosphate-induced rhizosphere acidification. PPT1-GFP was localized to the nucleus. PPT1 is predicted to encode a calmodulin-binding protein (CaMBP). We find that PPT1 can interact withCaMx and CaMy in the nucleus. We will identify the mechanism of PPT1 mediated low phosphate-induced rhizosphere acidification with molecular genetics and physiological technology. This result will benefit future crop breeding aimed at improving the ability of plants to acquire and utilize P.

土壤中总磷含量并不很低，由于磷的低溶解和低移动特性，土壤有效磷含量常常不足，土壤缺磷已成为制约农业生产的一个重要因素。植物可通过形态结构和生理生化过程的变化，实现对磷的高效吸收和利用，以适应低磷环境。低磷胁迫诱导根际酸化，可增加土壤磷素的可溶性，提高土壤有效磷含量，但低磷诱导根际酸化反应的机制至今还不清楚。我们利用溴甲酚紫显色技术，建立了直观高效的根际酸化缺失拟南芥突变体的筛选方法，筛选得到一批低磷诱导根际酸化反应缺失突变体。 ppt1 是一个低磷诱导根际酸化缺失拟南芥突变体，PPT1蛋白同时具有钙调素结合结构和zip 转录因子的同源序列；生化和细胞学实验表明，PPT1 可与CAMx 和CAMy 在细胞核内发生互作。本项目将对ppt1 进行分子遗传学、细胞生理学、功能基因组学分析，揭示PPT1 调控低磷诱导根际酸化反应的分子机制，为培育土壤磷高效作物新品种奠定理论基础。

摘要：土壤中磷的含量虽然并不低，由于磷的低溶解和低移动特性，土壤中可被植物直接吸收利用的有效磷含量常常不足，缺磷已成为制约农业生产的一个重要因素。已有的研究表明，低磷胁迫可诱导植物根际酸化，从而增加土壤磷素的可溶性，提高土壤有效磷含量，实现植物对土壤中磷的高效吸收和利用，因此，低磷诱导的根际酸化反应是植物应对低磷胁迫重要策略，但植物如何感知低磷信号进而调节根际酸化的分子机制至今还不清楚。本项目利用pH指示剂溴甲酚紫显色的方法，建立了直观的根际酸化检测技术，并将之发展成为一种高效的根际酸化突变体筛选方法，筛选得到一批低磷诱导根际酸化反应相关的拟南芥突变体。prad1（ppt1）是筛选得到的一株低磷诱导根际酸化缺失拟南芥突变体；与野生型相比，低磷胁迫可导致突变体prad1植株积累了更多的花青素，表现出更为明显的缺磷症状；Tail-PCR和转基因回补实验分析表明，prad1-1的突变位点位于AT1g7380基因上，该基因可能编码一个具有钙调素结合蛋白特性的转录因子；GUS染色、定量PCR和GFP融合蛋白荧光定位实验表明，PRAD1受低磷胁迫诱导在根和多种组织中均有表达，其编码的蛋白定位于细胞核中；CHIP和基因枪转化分析表明，低磷胁迫时，PRAD1与H+-ATPase编码基因AHA1、AHA2、AHA3的启动子区域的GAAATTT序列结合，正向调控基因的转录水平，并可能最终影响植物根际酸化和磷元素的吸收利用；酵母双杂交和双分子荧光互补实验表明，钙调素可与PRAD1蛋白在细胞核内互作，钙离子浓度的变化和钙调素编码基因的突变，可影响PRAD1转录调节活性、调节低磷诱导的根际酸化反应和植物低磷耐受性。因此，PRAD1基因的表达受低磷信号诱导，PRAD1作为转录因子调节AHAs家族基因的表达，进而影响根际发生酸化反应；钙调素通过与PRAD1的互作介导细胞钙信号对PRAD1功能和根际酸化的调节作用。