植物低磷胁迫诱导酸性磷酸酶的调控机制

Phosphorus is an essential macronutrient for plant growth and development. When grown under phosphate (Pi) deficiency condition, plants will display an array of develomental, biochemical, and physiological responses to cope with this nutritional stress. One major reponse is induction and secretion of acid phosphatases. The secreted acid phosphatases from roots can release Pi group from organophosphates in the environments, thus increase the avaliability of Pi for plant uptake. The molecular mechanism regulating this response, however, remains largely unknown. The aim of this research is to explore such mechanism through genetic and molecular analysis of the Arabidopsis mutants with altered reponses to Pi starvation. The results obtained from this study may not only help us better understand the molecular mechanism of how environment factors regulate plant physiological process, but also provide some means for engineering new crops with high P utilization efficiency.

磷是植物生长和发育必需的一种大量元素。植物在低磷条件下生长时， 会做出一系列形态发育和生理生化的反应， 以更好地适应这一不良的营养环境。其中一个重要的应答反应是诱导和分泌酸性磷酸酶。根部分泌的酸性磷酸酶可以分解环境中的有机磷化合物， 从而增加可供植物吸收用的磷酸根离子的浓度。 但目前人们对调控这一应答反应的分子机理并不清楚。 本研究以模式植物拟南芥为材料， 运用分子遗传学的方法，通过对已获得的对低磷响应反应异常的突变体的分析， 来探索低磷胁迫诱导酸性磷酸酶的分子机理。本研究的结果不但有助于我们深入了解外界营养信号调控植物生理过程的分子基础，还有可能为运用基因工程来培育磷高效的转基因新品种提供理论依据。

诱导和分泌酸性磷酸酶是植物对低磷胁迫的一个主要适应性反应。但目前对调控这一反应的分子机制并不清楚。本项目对这一调控机制进行了研究，获得了以下研究结果：.1）拟南芥酸性磷酸酶AtPAP10的转录受外部磷浓度而不是植物内部的磷浓度的诱导。局部信号对于触发AtPAP10的转录起始是必须的，但转录水平的高低受系统信号决定。乙烯不影响AtPAP10的转录和翻译，但影响它的分泌，而蔗糖对于AtPAP10的转录是必须的。乙烯的作用依赖于蔗糖，但蔗糖的作用不依赖于乙烯；2）发现了AtPAP10, AtPAP2， AtPAP26是拟南芥中三个主要的酸性磷酸酶。我们通过构建了双突变体和三突变体，及三个基因的过表达植物，直接证明了这三个酸性磷酸酶在植物利用外界磷素中的作用。3） 通过对AtPAP10启动子的缺失分析，我们鉴定到了一个对于表达AtPAP10基因的一个关键DNA序列。然后以这个DNA片段作为诱饵， 进行了酵母单杂交的筛选，获得了两个和这个片段结合的转录因子，分别命名为PHL2(PHR1-like2)和PHL3。在phl2突变体中，大量的低磷诱导基因的表达受到了抑制， 说明PHL2是另一个参与调控低磷转录反应的重要转录因子。 4）拟南芥突变体hps5在低磷条件下生长时，表现出过多地产生酸性磷酸酶和根毛形成。hps5的突变性状是由于乙烯受体ERS1的一个功能获得性突变造成的。进一步的研究表明，乙烯下游的重要转录因子EIN3参与了对酸性磷酸酶和根毛的调控。利用RAN-seq技术， 我们鉴定得到了一批EIN3的直接靶基因，并提出了乙烯调控低磷胁迫反应的分子机制。5）和hps5相似，拟南芥突变体hps8在低磷条件下，表现出酸性磷酸酶过量合成和根毛过量产生。hps8中突变发生在HPR1基因。HPR1在酵母和动物中的对应物编码THO复合物四个亚基中的其中一个亚基。这一复合物控制RNA向核外的运输。我们首先证明了HPR1通过负调控乙烯信号通路来调控酸性磷酸酶的合成。我们进一步发现，在突变体，有多个miRNA的表达发生了上调或下调。上调的基因中包含了miRNA399。 运用遗传学和转基因方法， 我们证明了miRNA399-PHO2通路参与了对酸性磷酸酶的调控。