玉米根系应答低磷营养胁迫的磷酸化蛋白质组学分析

玉米是重要的粮饲兼用作物，土壤有效磷不足已成为限制其产量的主要因素之一，深入研究玉米根系对低磷胁迫的适应性调控机制具有重要意义。本课题以玉米自交系齐319为材料，通过对其不同低磷处理时间下的根系形态参数和根尖细胞伸长/分裂活性的检测分析，以及根尖蛋白的磷酸化蛋白质组学分析，观察随磷饥饿时间的延长玉米根系形态的改变和根尖蛋白磷酸化水平的动态变化，寻找蛋白磷酸化调节所参与的信号或代谢途径，探讨蛋白磷酸化调节在低磷诱导的玉米根系形态改变中的可能角色，并对差异累积的磷酸化蛋白及其所参与的信号或代谢通路中的关键蛋白基因进行表达分析，加深对植物细胞磷饥饿信号转导系统的了解。此外，将上述结果与实验室已完成的低磷处理下齐319根系的蛋白质组和转录组结果进行整合分析，探讨玉米根系如何感知传递缺磷信号，加深对玉米根系形态改变与缺磷反应的内在关系的认识。

土壤有效磷不足已成为限制玉米产量的重要因素。由于磷素在土壤中的不均匀分布和低的移动性，根系发育及形态严重影响着玉米对土壤磷库的吸收利用。深入研究玉米根系对低磷环境的适应性调控机制具有重要意义。植物根系发育机制是保守和多样化的统一。本研究表明，玉米根系对低磷胁迫的响应与拟南芥遭受低磷胁迫时主根受抑制的结果截然不同，其轴生根生长加速，长度明显增加，这主要是由于低磷诱导其轴生根分生区细胞增殖能力增强的结果，揭示了玉米根系对低磷环境响应的特异性。为进一步了解低磷介导玉米轴生根生长加速的分子机制，我们对低磷处理1、3、7和10天的玉米轴生根根尖片段进行了蛋白质组和磷酸化蛋白质组分析。双向电泳胶的考马斯亮兰染色显示每个时间点大约检测到950个蛋白点，其中5.2-8.5%的蛋白点在不同低磷处理时间下表现出明显的量的差异累积；ProQ DPS磷酸化蛋白特异性荧光染色显示每个时间点大约检测到850个蛋白点，其中5.5-6.5%的蛋白点在不同低磷处理时间下表现出明显的磷酸化强度的改变。通过蛋白质谱共鉴定了91个差异磷酸化蛋白和184个蛋白丰度显著改变的蛋白，功能分类分析表明它们分别涉及多个功能种类，包括大量碳代谢和信号转导相关蛋白。以参与蔗糖降解及下游碳代谢途径为代表的大量酶发生了显著的磷酸化修饰调控和/或蛋白累积丰度的改变，意味着这些酶可能参与了低磷介导的玉米轴生根碳代谢流向的改变。以蔗糖合成酶2为代表的磷酸化修饰强度的动态变化也揭示了蛋白磷酸化可逆修饰在调控玉米根系低磷胁迫响应中发挥重要作用。低磷处理过程中参与信号转导的部分蛋白激酶和磷酸酶、生长素受体ABP1、活性细胞分裂素分子转化蛋白beta-glucosidase等也在蛋白丰度和/或磷酸化修饰水平上发生了显著的动态调控。上述结果揭示了碳代谢调控、糖信号及多个激素信号等协同参与了低磷介导的玉米轴生根细胞增殖调控，进而导致了玉米轴生根生长发育的改变。上述结果加深了我们对玉米根系磷效率调控机制的认识，为进一步研究磷饥饿响应基因在植物磷营养中的功能提供了重要资料，为拟订玉米耐低磷基因工程实验方案提供了思路和目标，有助于解决我国乃至世界磷资源匮乏和磷肥利用效率不高等问题。