类DNA内切酶DGM1介导低磷胁迫诱导根毛形成的分子机制

As an essential macronutrient, phosphorus plays vital roles in plant growth and development. At present, the soil phosphate deficiency has become one of the major limiting factors for agricultural production. Enhanced root hair production, which increases the root surface area for nutrient uptake, is a typical adaptive response of plants to phosphate (Pi) starvation. To date, however, the molecular mechanism of how Pi starvation induces root hair development remains unknown. In previous study, by analyzing transcriptomes of ethylene signaling-related mutants, we identified a group of ethylene-regulated genes involved in Pi starvation-induced root hair development. Overexpressing one of these genes, DGM1, which encodes a putative DNA endonuclease, causes plants to enhance root hair formation. Under Pi deficiency, DGM1 overexpressing plants show further increase of root hair formation. Pi starvation significantly induces DGM1 accumulation at both mRNA and protein levels. The aim of this research is to understand the molecular mechanism of DGM1-mediated root hair development induced by phosphate deficiency. We will characterize the biochemical function of DGM1 protein, identify the downstream target genes of DGM and its interacting proteins, and study the genetic relationship between DGM1 and the key regulators of root hair development. This research will also provide new strategies for genetic engineering of crops with efficient utilization of soil nutrients.

磷是植物生长发育所必需的大量元素之一。目前土壤缺磷已成为农业生产的一个主要制约因素。根毛形成的增加是植物对低磷胁迫的一个主要适应性反应。这一反应可以通过增加根系的表面积以有利于植物更好地吸收土壤养分。但目前关于低磷信号是如何调控根毛发育的分子机制并不清楚。在前期的工作中，我们通过对乙烯信号相关的突变体进行转录本分析，鉴定得到一系列位于乙烯下游参与低磷胁迫诱导根毛形成的候选基因。过表达其中一个类DNA内切酶基因DGM1会导致植物形成大量根毛。在低磷条件下，DGM1过表达植株的根毛形成进一步增加。DGM1基因的转录和蛋白水平都受低磷胁迫显著诱导。本项目将通过阐明DGM1的生化功能，寻找其下游靶基因，鉴定其互作蛋白，研究其与已知的根毛发育相关的重要分子组分的关系等，来全面探究DGM1介导低磷胁迫诱导根毛形成的分子机制。本项目的研究成果也将为培育高效利用土壤养分的转基因作物新品种提供新的思路。

磷是植物生长发育所必需的大量元素之一。目前土壤缺磷已成为农业生产的一个主要制约因素。根毛形成的增加是植物对低磷胁迫的一个主要适应性反应，这一反应可以通过增加根系的表面积以有利于植物更好地吸收土壤养分。但目前关于低磷信号是如何调控根毛发育的分子机制并不清楚。本项目对这一调控机制进行了研究，获得了以下研究结果：.在前期的工作中，我们通过对乙烯信号相关的突变体进行转录本分析，鉴定得到一系列位于乙烯下游参与低磷胁迫诱导根毛形成的候选基因。本项目发现过表达其中一个类核酸酶基因DGM1（Duo Gen Mao 1）会导致植物形成大量根毛，但是过表达其同源基因DGM2不会造成根毛增多的表型。在低磷条件下，DGM1过表达植株的根毛形成进一步增加。DGM1基因在主根根尖，侧根，根毛等部位的转录水平受低磷胁迫显著诱导。DGM1蛋白定位在细胞核中，其蛋白积累受低磷胁迫显著诱导。通过酵母双杂交筛选，我们发现DGM1与已知的调控根毛发育的关键转录因子RHD6（ROOT HAIR DEFECTIVE 6）直接相互作用。遗传实验证明，DGM1促进根毛形成的功能依赖于RHD6的存在。进一步地，我们通过对DGM1过表达植株，rhd6，以及它们的杂交植株进行转录组分析，鉴定得到一系列同时受到DGM1和RHD6调控的下游靶基因。最后，我们发现过表达DGM1蛋白不影响RHD6蛋白的积累，但是过表达DGM1可以增强RHD6对下游靶基因的转录活性。这些结果表明，DGM1通过与RHD6直接相互作用，增强RHD6对根毛发育相关靶基因的转录激活活性，从而影响低磷胁迫诱导的根毛形成。综上所述，我们鉴定了一个全新的参与低磷胁迫诱导根毛形成的分子组分DGM1，并阐明了DGM1介导低磷胁迫诱导根毛形成的分子机制。我们的研究进一步完善了低磷胁迫诱导根毛形成的分子机制，为农业生产上培育磷高效吸收的作物品种提供了理论基础，具有很好的应用价值。