苎麻苗期响应低磷胁迫分子机制研究

Ramie is a perennial herbaceous fiber-producing plant, characterized by high biomass yield (three harvests per year) and a strong root system. Usually large amounts of NPK are required for ramie growth. Our previous studies showed that P (phosphorus) was the most important element for ramie yield and fiber quality. And we have already obtained 19 P-efficient and P-inefficiency cultivars and established relative proteome analysis platform in our previous study. In this project, we will treat the seedlings of P-efficient and P-inefficient cultivars with low phosphate (phosphate-starvation) until the P-inefficient plants show severe P deficiency symptoms (14d). Then we will analyze the differential proteomics responding to low P stress in different organs (new root and new leaf) using iTRAQ (isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation) proteomic techniques. At the same time we will analyze the DGE (Digital Expression Profiling) of root, stem and leaf. Through the bioinformatics analysis we will find out the overlap between iTRAQ and transcriptome data, and identify the proteins and corresponding genes related to P absorption, translocation and metabolism and metabolic regulation networks and signal transduction pathway. In this study, about 80-100 proteins responding to low P stress are expected to be found. And the gene expression patterns of 20 key proteins will be analyzed by qRT-PCR. These data will provide gene resources and technical support for the research of efficient absorption and utilization of P in ramie.

苎麻（Boehmeria nivea L.）是中国特有的高效出口创汇型经济作物，前期研究发现磷是影响产量和品质的极重要因素，为适应苎麻贫瘠地栽培新形势，迫切需要研究低磷胁迫调控机制。500份种质由大田和盆栽试验筛选获得磷高效（耐低磷胁迫）和磷低效（对缺磷敏感）品种共19份，建立了蛋白质组及转录组学平台。大田和盆栽长期试验最终获得磷高效和磷低效材料各1份，在苗期进行低磷（5 uM）胁迫水培处理，正常磷（500 uM）为对照。在胁迫临界期（14d）提取新生根及新出叶总蛋白和RNA， iTRAQ技术分析差异蛋白，DGE（数字基因表达谱）分析差异基因。参考已完成根、茎及叶转录组数据库，构建低磷胁迫差异表达蛋白-基因互作网络。发掘响应低磷胁迫重要蛋白80-100个，选取关键蛋白对应基因20个进行qRT-PCR验证，揭示苗期响应低磷胁迫分子机制，为研究低磷胁迫响应基因在作物磷代谢中的功能提供重要参考。

苎麻是中国最重要的纤维作物之一，土壤缺磷是限制生长发育和产量的关键因子之一，深入研究低磷耐受机制有利于磷高效品种培育。本研究以磷效率存在显著差异的低磷耐受型华苎5号（H5）和低磷敏感型细叶绿（XYL）为材料，进行了连续两年的大田和盆栽试验，研究低磷胁迫下生理生化响应，进行了转录组及蛋白组联合分析。研究结果如下：.（1）大田试验：施磷促进产量，对茎秆磷含量影响高于叶片，低磷显著降低茎秆磷含量，影响纤维生长，降低原麻产量而磷高效品种具有更高的生物量及原麻产量。.（2）盆栽及水培试验：在低磷胁迫下，两品种的株高、生物量、干物质积累量、磷吸收效率及光合作用均显著降低。磷高效品种通过增加细根生长，分泌更多酸性磷酸酶及有机酸，提高土壤有效磷含量。纤维发育相关酶活性随着磷水平升高而升高，H5生长后期仍具有较高的纤维发育酶活性，延长纤维素积累期。.（3）转录组分析。H5和XYL鉴定出952和2036个差异基因。参与脂质重塑，转运，根系分泌物合成，氧化还原稳态和激素、钙信号转导等过程。与XYL相比，10个参与脂质重塑基因，6个磷转运蛋白基因，3个PEPC基因，2个SPX基因，2个独脚金内酯合成相关基因和1个柠檬酸合酶基因在H5中有更高的表达或仅在H5中被诱导。构建了基于转录水平响应低磷胁迫机制的理论模型。.（4）蛋白组分析。H5和XYL鉴定出2322和2510个差异表达蛋白。富集途径均为：运输和分解代谢、膜运输、信号转导、碳水化合物代谢、能量代谢和脂代谢等。挖掘出磷代谢相关的重要差异蛋白（57个）：参与磷转运（5个）、氧化还原稳态相关（28个）、酸性磷酸酶（11个）及脂质代谢（13个）。.鉴定到转录组与蛋白组表达趋势一致的基因和蛋白15个，主要参与磷转运、氧化还原稳态、脂质代谢及糖酵解等过程。.本研究对于丰富作物耐低磷胁迫的机制，完善苎麻逆境栽培及调控理论和实践，具有重要的学术价值。对于指导苎麻在南方地区低磷条件下的栽培具有重要的应用价值。