大豆紫色酸性磷酸酶基因家族参与磷高效利用的生理和分子机理解析

大豆是重要的粮油兼用作物。磷是大豆生长的必需营养元素，高效吸收利用土壤磷是提高大豆产量的重要途径。紫色酸性磷酸酶对提高作物磷效率至关重要，但是大豆紫色酸性磷酸酶参与作物磷高效吸收利用的生理和分子生物学基础还未清楚。本项目应用电子克隆和表达分析技术，首先研究大豆紫色酸性磷酸酶基因家族的28个基因的时空表达模式；再应用细菌或酵母异源表达系统，了解对低磷反应不同的外分泌型和非外分泌型紫色酸性磷酸酶基因的生化性质；同时，利用本实验室建立的大豆毛状根和整株转化体系，研究具有代表性的外分泌型和非外分泌型紫色酸性磷酸酶基因转化株系对植株体内有机磷的再利用以及介质中有机磷的活化吸收能力，从而解析紫色酸性磷酸酶提高大豆磷效率的生理和分子机理，为培育磷高效大豆新品种提供理论依据和工作基础。本项目预期可发表高水平学术论文2-3篇，提交磷高效转基因大豆新材料2-3份，培养硕士、博士研究生2-3名，博士后1名。

大豆是重要的粮油兼用作物。磷是大豆生长的必需营养元素，高效吸收利用土壤磷是提高大豆产量的重要途径。紫色酸性磷酸酶对提高作物磷效率至关重要。因此，鉴定大豆PAP基因家族成员，并对其基因结构、转录调控及对低磷胁迫的响应进行比较研究，对于进一步解析GmPAPs潜在的生理功能十分重要。本研究首先通过已报道的大豆PAP的氨基酸序列在Phytozome网站BLAST查找，鉴定到35个大豆PAPs，并利用生物信息学手段，对PAP基因家族成员的基因结构、保守结构域及系统发育进化史进行了分析；再通过荧光定量PCR(qRT-PCR)分析技术，研究了PAP家族基因对缺磷和共生的表达响应；最后对3个重要基因GmPAP8, GmPAP21, GmPAP35进行了进一步的功能分析，结果如下：1）大豆PAP家族成员的生物信息学分析表明，35个大豆GmPAPs在系统发育进化树中被分为3大组，其中，有32个大豆GmPAPs含有PAP特有的5个保守结构域（DXG/GDXXY/GNH(D/E)/VXXH/GHXH）；21个大豆GmPAPs含有20～45个氨基酸N端分泌型信号肽，3个大豆GmPAPs含有线粒体靶向的信号肽；启动子元件分析结果发现，GmPAP8, GmPAP21, GmPAP35的启动子区均含有与磷饥饿有关的元件，其中GmPAP21的启动子区还含有根毛顺式作用相关元件；2）大豆PAP家族基因对缺磷和共生响应的表达模式分析表明，在低磷条件下，有23个大豆GmPAP基因在不同组织部位中受到磷饥饿诱导或增强表达，9个基因在低磷处理的根瘤中表达增强；2个基因在低磷条件下接种了丛枝菌根真菌的根部表达明显增强；3）长短期低磷诱导和非生物胁迫的表达模式分析显示，GmPAP8, GmPAP21, GmPAP35主要在长期缺磷的根部表达，且在根部对热害和冷害有一定的表达响应，亚细胞定位分析结果发现，其定位于细胞内的多个部位，包括细胞膜、胞质内及细胞核。4）GmPAP21过量表达和干涉的转基因毛状根研究结果表明，与转空载体的对照的毛状根相比，在低磷条件下，过量表达GmPAP21能够明显增加转基因毛状根的酸性磷酸酶活性，进而增加转基因毛状根的生物量，表明该基因对植物体内磷的活化及再利用起到了重要的作用。本项目发表SCI论文4篇，提交磷高效转基因大豆新材料3份，培养研究生2名。