水稻磷转运蛋白基因OsPT2的调控机理研究

我们前期的研究工作发现超量表达OsPT2基因能促进水稻对磷的吸收，吸收速率比对照材料增加3-4倍，而转基因植株生长却受到影响。同时发现OsPT2在植株将磷从地下部向地上部的转运过程中也起着重要作用。但是OsPT2在不同磷状态下如何对磷吸收转运的调控机理并不清楚。本项目拟在DNA-蛋白质互作的水平上系统分析鉴定OsPT2启动子上的顺式调控元件和与之互作的反式作用因子，并通过凝胶阻滞、定点突变等方法验证顺式元件和反式因子之间的相互作用，揭示水稻磷吸收、转运的调控机理。同时拟鉴定在根表皮、皮层、中柱、根毛、侧根以及茎、叶维管束等与矿质营养元素吸收、转运相关的组织中特异表达的启动子，用这些启动子结合磷信号响应调控元件驱动OsPT2基因表达，拟获得磷高效吸收并能高效利用的水稻新材料。本研究结果将有助于加深对水稻磷代谢调控机理的了解，具有重要的科学意义，同时对提高水稻磷肥效率，具有重要的应用前景。

磷是植物生长和发育必不可少的大量元素之一。水稻是世界上最重要的粮食作物之一，对磷肥具有巨大的需求。因此，研究水稻对磷元素的吸收和体内转运利用的机理，培育在相对较低的有效磷浓度土壤环境条件下能充分吸收利用土壤磷元素获得相对高产水稻新品种，在经济效益和环境效益上都具有非常重大的意义。在前期研究中，我们发现水稻Pht1家族成员OsPT2具有重要的磷酸盐转运功能，主要参与磷从根部往地上部的转运。用35S超量表达OsPT2能显著提高水稻对磷的吸收，然而植株并没有表现出生长上的优势，反而表现出生长缓慢，植株矮小。在本项目中，我们主要发现了水稻Pht1家族另一成员OsPT4（OsPT2同源基因）的磷酸盐转运活性并对其开展了较深入的功能研究。经启动子融合GUS染色分析发现，OsPT4在根、茎、叶片、叶鞘、颖壳、花药等部位均有表达，根部的横切实验进一步显示OsPT4在根的表皮和外皮层中特异性表达，推测OsPT4在水稻根部和地上部中均发挥功能，而在根部的作用可能主要负责水稻从土壤中吸收磷素。亚细胞定位实验显示OsPT4是一个细胞质膜定位的蛋白，酵母功能互补实验显示OsPT4具有从细胞外向胞内转运磷的高亲和磷转运活性。通过35S驱动超量表达OsPT4能促进水稻根部对磷的吸收以及秸秆和籽粒中磷的积累，而用RNAi抑制水稻OsPT4的表达会导致植株分蘖下降、根部和秸秆等组织磷浓度显著降低。结合OsPT4的表达模式和功能特点与前期工作中研究获得的OsPT2功能模式进行比较发现，OsPT4与OsPT2在磷素转运上具有明显的分工和协作，OsPT4主要参与磷素从外界到根部表皮的吸收及磷到地上部之后向籽粒等组织的分配，而OsPT2主要在根部维管系统表达，参与磷从根部往地上部的转移。水稻中磷酸盐的吸收转运是一个相对复杂的过程，需要多种转运蛋白和调控基因的参与和协作才能将磷素从外界吸收至根部并转移到地上部各组织，因此更全面地发掘和利用这些不同功能特点的磷转运蛋白，进而优化协调它们在植物对磷的吸收、转运中的作用，对培育磷高效水稻品种具有重要的科学意义。