转OsPHR2基因小麦高效利用磷素的机制

Phosphorus is one of the necessary elements and plays a very important role in plant growth. Compared with other necessary elements, phosphorus shows low availability, mobility and the form of hard-soluble in most cases, so phosphorus deficiency in soil is one of the main limiting factors of crop production. The rice transcription factor OsPHR2 was introduced into wheat, and transgene wheat pure lines with high phosphorus use efficiency were obtained. In the present study, several aspects including the space-time express characteristics of OsPHR2 gene, gene expression profile, root morphological, root-shoot ratio, root exudates content, phosphate metabolism related enzyme activity and main agronomic characteristics will be studied. The results could explicit the mechanism of OsPHR2 gene improving wheat phosphorus use efficiency, and provide research base and theoretical basis for wheat nutrient high efficiency research.

磷素是植物生长和发育所必需的大量元素之一，在作物的全生育期内起着极其重要的作用。与植物其它必需矿质元素相比，土壤中的磷素表现为有效性和移动性差、多以难溶性形式存在，土壤缺磷是作物生产的主要限制因素之一。项目组已将水稻低磷胁迫转录因子OsPHR2导入到普通小麦中，并获得了磷高效转基因小麦纯系。本项目将以已获得的转基因小麦纯系为研究材料，通过研究转基因小麦与对照在时空表达特性、基因表达谱、根系形态、根冠比、根部分泌物含量、磷代谢有关酶活性及主要农艺特性等方面的差异，揭示转OsPHR2基因小麦高效利用磷素的机制，为小麦养分高效利用研究提供研究基础和理论依据。

提高小麦磷素的吸收利用效率，对于充分利用土壤磷素资源、减少肥料浪费、防止环境污染和促进小麦生产的可持续发展具有重要意义。本项目利用已获得的磷高效转OsPHR2基因小麦材料为研究对象，开展了OsPHR2基因在转基因小麦中的时空表达特性，低磷胁迫处理后转基因小麦与受体对照基因表达、生理性状和主要农艺性状等方面的差异研究。时空表达分析结果显示，苗期OsPHR2主要在小麦叶片中表达，拔节期至灌浆期主要在根部表达，其次为叶片，在穗和茎秆中的表达量较低。低磷处理下，不同生育时期转基因小麦各组织器官的磷含量均大于受体对照，苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期两个转基因小麦植株地上部磷积累量分别平均较对照提高了22.40%、16.07%、17.69%、16.82%和16.98%。RNA-Seq转录组分析结果显示，低磷胁迫处理72h，叶片差异基因数目最多，低磷胁迫处理6h，根部差异基因数目最多，根部对磷素的响应更为迅速和敏感，叶片对磷素的响应稍显滞后；四个处理水平根部和叶片分别共有64个和23个共同表达的差异基因。功能富集分析显示，低磷胁迫下OsPHR2基因主要通过调节过氧化物酶、蛋白激酶、谷胱甘肽-S-转移酶、磷酸丙糖转移蛋白等基因表达，响应低磷胁迫，提高转基因小麦磷素吸收运转能力。根系特性分析显示，缺磷或低磷条件下OsPHR2明显增加了转基因小麦的最大根长、根系总长度、根冠比和根系体积。低磷和施磷酸铝处理下，转基因小麦旗叶和根部酸性磷酸化酶活性在拔节期、抽穗期和灌浆期均显著高于对照。OsPHR2基因可促进小麦根部草酰乙酸、草酸、乙酸、丙二酸和柠檬酸等有机酸含量增加。农艺特性分析结果显示，高磷和低磷条件下，转基因小麦的产量均高于对照，平均分别较对照提高了3.73%和6.29%。通过本项目研究揭示了转OsPHR2基因小麦高效利用磷素的分子与生理机制，可为小麦养分高效利用研究提供了研究基础和理论依据。