生长素参与玉米根系响应局部供磷的分子生理机制

Root plasticity enables plants to forage for and acquire phosphorus in a heterogeneous underground environment. Banding phosphorus enhance their uptake/assimilation systems, and proliferate specifically in nutrient-rich zones. However, the mechanism of auxin-regulated root response to localized phosphate (P) is not fully understood. The present study lays emphasis on the response of maize root to localized P and regulating mechanism of auxin. Some key methods and techniques for monitoring root development, genome-wide reprogramming, auxin detection are adopted, including histology and histochemistry analysis, RNA sequencing, gas chromatography-mass spectrometer and molecular-biological techniques. The main objectives of the present study are to systematically investigate the response of root development, phosphate uptake and transcriptome to localized P regulated by systemic and local P signaling, clarify the auxin content, distribution in the roots and derivates that response to localized P, reveal the regulation of auxin biosynthesis, polar transport and signaling transduction pathway on the root development in response to localized P, estimate the function of RUM1 protein in root response to localized P. This study will provide important scientific bases to better understand the mechanism of auxin-regulated root response to localized P in maize, and thus improve P use efficiency for farmland towards high-yield and high-efficiency sustainable crop production.

植物根系对生长环境中磷素的异质性分布具有高度的形态与生理可塑性。土壤磷素富集区能刺激根系大量增生，提高磷素吸收效率。已知生长素调控根系的生长发育，但植物根系对局部供磷的响应模式及生长素参与响应过程的机制尚不清楚。这是深入揭示植物根系对局部养分资源高效利用的关键。本申请拟通过分根系统，以玉米根系对局部供磷的响应及生长素参与调控的机制为研究主线，综合采用根系发育显微观察、高通量转录组分析、色谱-质谱联用系统分析生长素，并结合使用玉米根系突变体材料，系统研究玉米根系发育、磷吸收、及转录组对局部磷供应的响应模式；探讨生长素的含量、空间分布、来源和作用途径在调控根系生长发育应答局部供磷的关键作用；深入研究生长素信号转导途径中RUM1蛋白调控玉米根系生长发育应答局部供磷的作用机制。为揭示玉米根系对局部供磷的响应模式及生长素调控响应过程的机制，提高作物对磷资源的利用效率提供科学依据。

由于磷在土壤中移动性差，扩散速率低，且非常容易被土壤中金属阳离子固定，导致其生物有效性大大降低。在农田生态系统中，局部施用肥料可以促进植物的生长。然而，玉米根系对局部磷供应的响应模式及分子生理机制尚不清楚。众所周知，生长素是调控根发育的关键因子，那么生长素如何在玉米根系发育应答异质性磷环境过程中发挥作用，其调节机制如何？针对上述问题，本项目以玉米为研究对象，采用分根室培养的方法研究玉米根系对局部磷供应的响应规律及调控机制。研究首先确定了玉米根系对局部供磷的响应是否受植株磷营养背景和外界局部供磷强度的影响，结果发现磷营养缺乏的玉米植株在局部供磷侧形成大量根系，缺磷背景和供磷强度差异越大，根系增生现象越明显，这些结果表明玉米根系在磷富集区的增生现象受本身磷营养状况和局部养分供应强度的共同调控。通过监测均匀供磷和局部供磷处理下根系发育动态，明确了局部供磷条件下玉米根系的生长发育规律，发现在局部供磷4天后局部供磷侧根系开始增生，而且二级侧根的分支增多是根系增生的主要贡献。为进一步揭示玉米根系在局部供磷侧根系大量增生的调控机制，分析了局部供磷下玉米根系的转录组变化，发现玉米根系转录水平受局部磷信号和系统信号的共同调控。通过外源施用生长素抑制剂和利用含有生长素报告基因的转基因玉米，研究了局部供磷条件下玉米根系的生长发育与生长素响应之间的关系，发现生长素的极性运输和生长素在分生区维管束细胞的局部累积参与局部供磷诱导的侧根的发生，暗示局部供磷通过调控生长素运输蛋白PIN9的表达，引发生长素在侧根发生部位的局部积累，最终诱导侧根的大量发生。以上研究结果深入理解了局部供磷和生长素在玉米根系发育和磷吸收中的相互作用关系与调节机制，为揭示玉米根系对局部供磷的响应模式及调控机制，提高磷资源的利用效率，实现玉米高产高效可持续生产提供科学依据。