油菜应答低磷胁迫的差异表达蛋白及其功能与代谢途径解析

磷涉及植物许多生物大分子的组成和结构，参与一系列重要生理生化过程。因此，植物抗低磷胁迫必然涉及众多功能基因和蛋白的增强或抑制表达、及相互间的互作与网络途径。甘蓝型油菜利用土壤磷的能力强，但需磷多，对缺磷敏感。本项目在已筛选获得甘蓝型油菜磷高效（抗低磷胁迫）和磷低效（对缺磷敏感）品种、并进行磷高效生理和分子机理研究、建立相关技术平台的基础上，以磷高效和低效品种为材料，利用水培试验，设置苗期长期低磷胁迫和短期缺磷饥饿处理，以正常磷作对照，提取样品总蛋白和膜蛋白；通过双向电泳分离、质谱鉴定、蛋白数据库的生物信息学功能分析分类，获得低磷胁迫诱导下的差异表达蛋白；并进一步通过图谱定位及其与磷高效QTL的整合分析、候选蛋白基因的转基因功能验证、生理生化代谢分析等，研究揭示油菜响应低磷胁迫的代谢网络途径，克隆磷高效或抗低磷胁迫的重要功能基因，为油菜或其它作物磷营养性状的遗传改良和育种提供基因资源和技术。

磷是植物生长发育的必需营养元素。磷在土壤中难以迁移，施用磷肥是当前农业生产中重要的栽培措施。然而，磷肥施用过量引起水体生态富营养化，也加速了磷矿资源的耗竭。所以，挖掘作物磷高效的优异种质，研究揭示其抗低磷胁迫的生理和分子调控机制，培育磷高效品种和育种材料，是当前国际上植物磷营养研究和磷矿资源可持续发展利用的一个重要方面。磷涉及植物许多生物大分子的组成和结构，参与一系列重要生理生化过程。因此，植物抗低磷胁迫必然涉及众多功能基因和蛋白的增强或抑制表达及相互间的互作与网络途径。本项目的研究按照申请书的研究内容开展各项研究工作，全面完成了研究内容，取得了预期的研究成果。具体包括：1）利用蛋白质组学技术，获得甘蓝型油菜磷高效品种和磷低效品种响应长期低磷胁迫和短期无磷饥饿的根系、叶片差异表达的总蛋白159个，响应短期无磷饥饿的根系差异表达质膜蛋白71个；2）利用比较基因组学技术，将上述鉴定的94个差异总蛋白和35个差异膜蛋白定位到甘蓝型油菜磷高效遗传连锁图谱上，其中72个差异总蛋白和30个差异膜蛋白位于磷高效相关的QTLs区间内，构建一个磷高效QTLs与抗低磷胁迫差异表达蛋白相整合的分子遗传连锁图谱；3）利用蛋白质组学和功能基因组学技术，分析研究了差异表达蛋白的功能，确定差异表达蛋白在响应低磷胁迫中的生物学功能及其涉及的代谢途径；4）分离克隆了油菜响应缺磷胁迫的特异表达基因BnSPX3;1和BnSPX3;2，BnIPS1;1和BnIPS1;2及其上游启动子，并通过转基因分析研究了基因调控元件和功能，同时研究明确了油菜超表达柠檬酸合成酶基因（CS）和植酸酶基因phyA和appA 在抗低磷胁迫中的重要作用。研究结果发表6篇SCI论文，授权专利1个，申请专利1个，克隆4个缺磷特异表达基因及其启动子，毕业博士3名，硕士2名。