不同磷效率基因型大豆根系天冬氨酸响应低磷胁迫机制

Soybean production was limited by many factors, and soil phosphorus deficiency is one of the serious barriers to increase production at many areas. In China, there’re many difficult problems in agricultural, including low phosphate fertilizer utilization rate and fertilizer loss. The fundamental measure to solve the contradictory between plant phosphorus deficiency and environmental phosphorus pollution is to mine the phosphorus utilization ability of plant and to use crops with high phosphorus efficiency. Aspartic acid (Asp) is an important amino acid with metabolic activity, plays an important role in plant abiotic stress resistance. Soybean is a phosphorus dependent crop. On the basis of previous national foundation, with two different phosphorus efficient soybean genotypes, this study aimed to analyze the synthesis of Asp in root and the activity of key enzymes in metabolism under low phosphorus stress. The precursor of Asp, and the relationship between the content of downstream amino acids and the nutrient content in root would also be tested. The result is to clear the reason and mechanism for different performances of Asp respond to phosphorus efficiency of soybeans with different phosphorus efficiencies. From the analysis of the difference in metabolites of amino acids and Asp in root of different soybeans, to determine the possible regulating approach on the response to low phosphorus in root, and to find the critical difference in regulation way. At last, confirm Asp as an index to low phosphorus stress. This study will be important for further refining the network of soybean response to low phosphorus stress and cultivating high phosphorus efficient varieties, as well as improving soybean yield and quality.

大豆是喜磷作物，限制大豆生产的因素有很多，其中土壤缺磷是很多地区提高产量的重要障碍因子之一，但大豆生产中磷肥利用率低，肥料损失严重一直是我国农业生产中的难题。挖掘生物自身的磷利用能力，利用磷高效作物是解决植物缺磷与环境磷污染矛盾的根本措施。天冬氨酸是重要的具有代谢活性的氨基酸，在植物非生物胁迫抗性中有重要作用。为此，本项目以不同磷效率基因型大豆为试材，在前期国家基金项目研究的基础上，通过分析低磷胁迫下不同磷效率大豆根系天冬氨酸的合成和代谢关键酶活性，以及根系天冬氨酸合成前体、下游氨基酸含量和根系养分含量的关系，明确不同磷效率大豆天冬氨酸含量表达差异的原因和机制；从不同磷效率大豆根系氨基酸和天冬氨酸相关代谢物差异分析，确定导致根系低磷响应差异的可能调控途径，找到差异途径关键点；确认天冬氨酸作为指示低磷胁迫指标，此研究对进一步细化大豆响应低磷胁迫网络和为今后培育磷高效品种具有重要的意义。

大豆是喜磷作物，限制大豆生产的因素有很多，其中土壤缺磷是很多地区提高产量的重要障碍因子之一。但大豆生产中磷肥利用率低、肥料损失严重一直是我国农业生产中的难题。挖掘生物自身的磷利用能力, 利用磷高效作物是解决植物缺磷与环境磷污染矛盾的根本措施。天冬氨酸是重要的具有代谢活性的氨基酸，在植物非生物胁迫抗性中有重要作用。为此，本项目以不同磷效率基因型大豆为试材，分析了低磷胁迫下不同磷效率大豆根系天冬氨酸的合成和代谢关键酶活性；利用代谢组及蛋白组分析发现低磷胁迫下天冬氨酸激酶显著影响大豆根系天冬氨酸合成；磷高效品种的天冬氨酸更多用于各类氨基酸合成，磷低效品种的天冬氨酸主要用于天冬酰胺的合成，这可能是低磷胁迫下两品种天冬氨酸差异表达的主要原因之一。低磷胁迫条件下，磷低效大豆抑制了根系氧化磷酸化、谷胱甘肽代谢和碳代谢等重要代谢途径，从而影响植株生长。而磷高效品种提高了根系代谢活性，特别是在碳代谢、糖酵解、氨基酸生物合成、戊糖磷酸化、氧化磷酸化和核黄素代谢等途径，以维持其在磷胁迫条件下的正常生长。同时，本研究提出了I1KW20（禁止蛋白）、I1K3U8（α-淀粉酶抑制剂）、C6SZ93（α-淀粉酶抑制剂）和GmPHF1关键蛋白作为筛选耐低磷大豆品种的潜在生物标记物。通过酵母双杂交筛选到7个与GmPHF1互作的蛋白，它们均参与植物抗逆调节。本项目以天冬氨酸代谢为介导，解析了不同磷效率大豆天冬氨酸含量差异机制，确定导致根系低磷响应差异的调控途径，找到差异途径关键点；确认几个关键蛋白作为筛选耐低磷大豆品种的潜在生物标记物。这项研究为大豆对磷缺乏的反应和耐受性提供了新的见解，为大豆耐低磷的研究提供了理论基础，对进一步丰富大豆响应低磷胁迫网络和培育磷高效品种都具有重要的意义。