紫色酸性磷酸酶在缺磷适应性中调控细胞壁结构的机制研究

Phosphate is one of the essential macro nutrients in plant. It is believed that purple acid phosphatases （PAP） are involved in degradation of organic phosphate (Po) to inorganic phosphate (Pi), which support the plant growth and increase the plant adaptation ability under Pi starvation condition. However, only a few PAPs were reported to be important for Po utilization in plant while there are nearly 30 PAP genes in plant genome indicating PAP may have other functions. According previous studies, we proposed that some PAPs may secrete into cell walls and regulate target proteins de-phosphorylation. These processes will further change the cell wall structure and Pi signaling, which influence the cell growth and Pi starvation responses. To prove the hypothesis, we will determine the candidate PAPs involved in regulation cell wall structure and Pi signaling by combining an array of technologies related to molecular biology, plant physiology and biochemistry. Furthermore, the novel physiological mechanisms of target PAPs will be elucidated through analyzing the cell wall components and mechanical properties. Based on these results, we will try to isolate the target cell wall proteins of PAPs and finally constructed a working model.

磷是植物生长必需的大量营养元素之一。通常认为，紫色酸性磷酸酶将环境或者细胞内的有机磷降解为无机磷，供植物生长发育所需，进而提高植物对缺磷胁迫的适应性。然而，高等植物基因组中通常约含有30个紫色酸性磷酸酶基因（PAP），仅发现少数几个PAP参与植物有机磷的利用，说明其它PAP可能还有其它功能。根据前期研究结果及相关文献报到，申请人认为某些PAP可能分泌到植物细胞壁中，通过去磷酸化作用调控细胞壁蛋白的活性，进而改变细胞壁成分和植物磷信号，影响植物细胞的生长和缺磷响应，最终对植物缺磷胁迫适应性进行调控。本项目拟在前期对水稻PAP基因研究的基础上，将利用分子生物学，生理学和生物化学等一系列技术手段，分析水稻中调控细胞壁成分和磷信号的候选PAP基因，并阐述其对细胞壁组分，力学性质和磷信号的调控机制。在此基础上，继续解析目标PAP作用的细胞壁蛋白，构建分子模型。

磷是植物生长必需的大量营养元素之一。通常认为，紫色酸性磷酸酶将环境或者细胞内的有机磷降解为无机磷，供植物生长发育所需，进而提高植物对缺磷胁迫的适应性。为了研究水稻中主要的酸性磷酸酶功能，本课题首先利用蛋白组技术系统研究了水稻中分泌型酸性磷酸酶，鉴定到水稻中多个受缺磷和OsPHR2调控的分泌型酸性磷酸酶。结合遗传徐、生物化学和生理学手段，我们证明OsPAP10c在根系中受缺磷特异性表达，其调控序列位于ATG上游-505 bp至-145 bp之间。通过对OsPAP10c突变体的研究发现，其编码水稻中一种主要酸性磷酸酶，能结合于水稻根系表面和分泌至土壤环境中。利用OsPAP10c自身启动子，创制了根系特异性的OsPAP10c超表达转基因材料，水培和田间实验表明，该转基因材料能显著促进水稻生长和单株产量。另外，我们还鉴定到水稻中分泌于细胞壁中的主要酸性磷酸酶OsPAP10a，其在地上和地下组织中均受到缺磷诱导表达。超表达或突变OsPAP10a显著改变了水稻叶片中的无机磷含量，而对其总磷含量影响不大，进一步的生理及分子研究表明，OsPAP10a可以降解细胞壁中有机磷底物，进而改变水稻胞内的糖代谢过程和水稻缺磷适应性。以上研究证明紫色酸性磷酸酶能够通过多种途径，来利用环境甚至植物体内的有机磷，从而提高植物对低磷胁迫的耐受性。