影响根系发育基因OsLPR5在水稻缺磷胁迫响应中的功能研究

Phosphorus is an important limiting factor for plant growth and development. Recent studies show that AtLPRs affecting root growth is involved in plant root tip response to the local phosphate (Pi) signaling through iron oxidation reaction. In our previous study, a Pi-deficient responsive gene was identified in rice, designated as OsLPR5. Its encoding protein has ferroxidase activity. In the present study, the spacial and temporal expression pattern of OsLPR5 in response to Pi-deficiency in rice will be detected by PCR and reporter genes. We intend to study the physiological function of OsLPR5 by using heterologous system such as Escherichia coli, yeast, Arabidopsis. Morphological, physiological and molecular aspects of OsLPR5 mutants, over-expression plants and Marker gene promoters (such as genes for the differentiation of cell in root tip and the Pi-deficient response) + GUS/GFP transgenic rice will be characterized for the function of OsLPR5 under Pi-deficient stresses and Pi-response signaling molecules. This study is expected to expose physiological functions of OsLPR5 under phosphate starvation stresses in rice, and provide valuable evidences to reveal the mechanism of Pi-deficient signal transduction pathways in rice.

磷是植物生长发育的重要限制因子。近年来研究表明，影响根系发育基因AtLPRs通过铁氧化反应参与植物根尖对局部磷信号响应。申请人前期工作从水稻中筛选到了一个转录水平受缺磷诱导显著增加、编码蛋白具有铁氧化酶活性的基因，暂命名为OsLPR5。本申请将通过PCR和报告基因组织定位检测OsLPR5在水稻响应缺磷胁迫的时空表达模式；采用大肠杆菌、酵母、拟南芥等多种异源系统检测研究其编码蛋白的生理功能；利用OsLPR5突变体、超表达以及在此基础上创制的多种Marker基因启动子（如根尖细胞分裂分化和感受外部缺磷信号基因）+ 报告基因水稻转基因材料，从形态上、生理上以及分子水平上研究OsLPR5在水稻磷胁迫和磷信号分子响应过程中的功能与调控。本研究有望明确水稻中参与磷胁迫响应的编码铁氧化酶基因的生理功能，为揭示水稻缺磷信号转导途径的作用机理提供重要依据。

LPR1/2（LOW PHOSPHATE ROOT1/2）基因编码定位内质网和靶向细胞壁上的铁氧化酶，参与到缺磷胁迫下种子主根的生长以及响应环境中局部缺磷信号。通过在多个水稻基因组数据库中检索，对比出了水稻中有5个LPR基因，根据它们与AtLPR1氨基酸序列的相似性从高到低，依次将其命名为OsLPR1- OsLPR5。主要研究结果如下：.1. 通过酵母异源系统中验证了OsLPR5编码蛋白具备铁氧化酶活性，在烟草异源系统中表达OsLPR5显著提高了烟草叶片细胞的铁氧化酶活性，OsLPR5编码一个铁氧化酶基因。.2. 通过分析过量表达材料伤流液中铁的价态变化，发现OsLPR5的超表达显著提高了水稻中铁氧化酶的活性，改变了水稻体内不同价态铁的比例，表明OsLPR5确实具备铁氧化酶的功能。.3. 通过构建了OsLPR5基因与GFP融合蛋白，并利用农杆菌介导方法，在烟草叶片中瞬时表达。结果表明，在细胞核位置，内质网对照mCherry::HDEL并未观察到红色荧光，但是OsLPR5基因与GFP 融合蛋白在细胞核位置也能观察到绿色荧光，说明OsLPR5除了定位在内质网，也可能定位在细胞核上。.4. OsLPR5的过量表达影响了苗期水稻的正常生长发育，OsLPR5表达量的部分沉默导致水稻根系生物量的上升，在缺磷环境中没有改变。.5. OsLPR5过量表达影响水稻后期生长发育和结实，OsLPR5过量表达后不仅阻碍了营养器官的生长，对繁育器官的发育也有一定影响，穗分支数，结实率等拷种指标较野生型水稻显著下降，并导致了单株产量的降低。.6. 通过研究OsLPR5在磷素利用过程中的作用，发现与野生型相比，oslpr5突变体在不同磷水平下，根系中的总磷浓度均上升；oslpr5突变体在缺磷条件下32P的吸收速率显著上升，但32P从地下向地上部的转运比例显著降低；在正常供磷条件下，oslpr5内OsPHO1;2的表达量显著下降，缺磷条件下cis-NATOsPHO1;2的表达量显著下降。.本研究结果说明OsLPR5对水稻的生长与发与发育具有重要作用；OsLPR5在水稻中磷的吸收、转运和分配过程中也具有重要功能，为作物对对磷的高效吸收与利用及通过分子生物学技术提高作物营养品质提供了基础。