黄酮调控低磷诱导白羽扇豆排根形成的机理

The phosphorus (P) deficiency can stimulate cluster root formation, which significantly enhance P use efficiency through greatly enlarged root surface area and carboxylate exudation. Flavonoids affect lateral root development through modulate auxin transport.White lupin exudate a large amont of flavonoids.However, the mechanisms of P deficiency-induced cluster root formation is not fully understood, particularly roles of flavonoids in cluster root formation. To answer these quentions is important for accuratly evaluating cluster-root plant adaptation to P-deficiency stress. The solution culture experiments, in combination with in suti staining and HPLC analysis method, are conducted to investigate the concentrations and distribution of flavonids in cluster roots at different developmental stages, and the effect of flavonoids on the formation of cluster roots. The main research contents in the study include investigating expression pattern of LaCHS, which encodes the chalcone synthase to conduct the flavonoid biosynthesis, and function of LaCHS in cluster root formation, with the aim at clarifing relationship beween P deficiency-induced cluster root formation and flavonoids-mediated lateral root development. This study will help to further understand lupin adaptation to low-P stress, and interaction of low P and flavonoids in cluster root formation, which will provide an important scientific base for screening and selection of new P-efficient genotypes and varieties.

低磷诱导白羽扇豆形成排根结构，通过扩大吸收面积和分泌有机酸阴离子提高磷的利用效率。黄酮类化合物能够调控生长素的运输，影响侧根的发育。白羽扇豆分泌大量的黄酮类化合物，然而人们对黄酮类化合物在低磷诱导白羽扇豆排根形成中的作用机制和途径并不清楚，这是准确评价排根植物适应低磷胁迫的关键问题。本研究采用雾培和营养液培养方式，研究黄酮类化合物对低磷诱导白羽扇豆排根发育以及生长素响应的影响，分析控制白羽扇豆黄酮类化合物生物合成的关键基因LaCHS的表达及其调节模式，揭示LaCHS基因的表达与低磷诱导排根发育之间的内在联系，明确LaCHS基因调控排根发育的作用机制。为探明白羽扇豆对低磷酸性土壤环境的适应性，深入理解低磷和黄酮类化合物在排根形成与发育中的相互作用关系与调节机制,进而为选育与改良抗逆性作物新品种提供科学依据。

低磷诱导白羽扇豆形成排根结构，通过扩大吸收面积和分泌有机酸阴离子提高磷的利用效率，然而人们对低磷诱导白羽扇豆排根形成的机制、黄酮类化合物在排根形成中的作用、排根形成与黄酮类化合物积累之间的关系以及关键黄酮类化合物合成基因对排根形成的影响并不清楚，这是准确评价排根植物适应低磷胁迫的关键问题。本研究采用雾培和营养液培养方式，研究不同供磷水平白羽扇豆排根发育与黄酮类化合物之间的定量关系，发现黄酮类物质主要积累在侧根原基的顶端区域，与已知的生长素作用位点具有相似性；通过高效液相色谱（HPLC）检测技术，精确定量不同发育阶段排根中目标黄酮的浓度，发现低磷条件下柚皮素和槲皮素在局部上调，可能作为信号或功能物质参与低磷诱导的白羽扇豆排根发育过程；山柰酚在根尖被下调，其可能作用为抑制排根发育。外源施用黄酮发现添加染料木黄酮、山柰酚均会抑制排根发育，染料木黄酮还能够促进侧根的伸长，这与供磷培养的表型相似。暗示黄酮类化合物参与缺磷诱导的白羽扇豆二级侧根的发生和主根的伸长，从而调控排根的形成。为探究黄酮类物质是否通过与生长素互作影响排根发育，对含有生长素响应元件 DR5：GUS的转基因毛根外源施用黄酮，结果表明槲皮素和柚皮素分别与生长素显示出较强的相互作用，这种变化很可能作为白羽扇豆响应低磷的上游信号调节生长素的局部积累，最终决定排根的发生。控制黄酮类化合物合成的关键基因LaCHS的启动子融合GUS以及定量PCR结果显示LaCHS基因主要在成熟排根部位表达，沉默CHS基因没有发现根系形态的改变。在大肠杆菌中表达CHS基因，纯化后蛋白未检测到查尔酮合成酶的活性。综上所述，磷信号调控黄酮类化合物的时空分布，进而调控生长素的时空分布，最终调控排根的发育。以上研究结果在探明白羽扇豆对低磷酸性土壤环境的适应性，深入理解低磷和黄酮类物质在排根形成与发育中的相互作用关系与调节机制，进而为选育与改良抗逆性作物新品种提供了科学依据。