磷脂酶D介导的生物膜脂代谢在水稻磷高效再循环的作用及分子机理

生物膜富含信号分子，是感受和传导外界信号的起始点，可能调控整条通路下游的多个节点。同时，生物膜富含磷脂，是细胞中的磷库。磷脂酶D(phospholipase D, PLD)以膜磷脂为底物而产生磷脂酸PA和极性亲水基团，导致膜脂的重组。我们前期研究发现拟南芥磷脂酶PLDzeta2在应答磷饥饿的过程中水解磷脂，使磷从膜上释放出来参与其他关键的需磷代谢活动，在细胞磷高效再循环中起了重要作用。本研究在前期工作的基础上采用分子、遗传、生化、信号转导，结合蛋白质组学、代谢组学及高通量质谱分析等技术，从未知、全新的水稻PLD家族中分离、克隆及鉴定参与磷高效再循环利用的相关基因，并进一步探索其作用机理、信号通路以及水稻PLD介导的生物膜脂代谢在植物应对磷饥饿信号中的变化，挖掘水稻磷高效基因，提供水稻新种质材料，为水稻磷高效高产的遗传改良和施肥管理奠定理论基础。

磷是植物生长发育的必需元素，在细胞中磷分布于膜脂、核酸、磷酸化蛋白等，磷也是细胞化学能量储藏和转化（ATP）的主要成分，参与植物生长发育的各种代谢过程。植物在长期的进化过程中形成了节磷机制，在应答磷饥饿胁迫下，植物通过重新分配磷在细胞中的分布，增强磷再循环利用。膜磷脂（Lipids）的磷占植物体内总磷的30% 以上，是细胞中的磷库。磷脂酶D (phospholipase D, PLD) 以磷脂为底物，通过水解磷脂而产生信号分子磷脂酸 (phosphatidic acid, PA)，且导致生物膜系统的重组。最近，我们通过基因操作结合高通量的脂代谢组学分析发现拟南芥在应答磷饥饿过程中，细胞膜的磷脂组分可被糖脂和硫脂所替代，而磷脂上的磷可从膜上释放出来参与其它更关键的代谢过程，说明磷脂被非磷脂质组分所取代是植物适应磷缺乏的一种节磷机制，生物膜从耗磷型转化为节磷型。水稻基因组中含有17个磷脂酶D (PLD)基因，比拟南芥PLD复杂多样。然而水稻PLD家族的生物学功能尚未清楚，其是否参与应答磷饥饿过程有待进一步分析。本研究通过基因克隆、分子遗传、生理生化、代谢等分析发现水稻PLDzeta2 在磷脂与糖脂、硫脂转化及磷高效再循环中起了重要的正调控作用，PLDzeta2的缺失导致植物在磷饥饿条件下生长受阻，特别是根生长显著低于野生型，同时我们还鉴定了PLDzeat2 下游的SQD相关基因家族在应答磷缺乏过程中的调控作用，阐明了水稻磷脂酶PLDzeta2 参与膜脂代谢和磷高效循环利用的作用及分子机理，增加了膜脂代谢与信号的理论知识，挖掘水稻磷高效的新基因,获得超表达PLDzeta、SQD1和SQD3 等植物材料，为作物磷高效利用的遗传改良奠定基础。 此外，本研究还发现磷脂酶PLDzeta1 在盐和低温胁迫中具有正调控作用，这些发现表明水稻PLD 家族中不同成员生物功能的多样性和独特性。