水稻紫色酸性磷酸酶Ia家族在缺磷适应性中的功能及调控研究

Under low phosphate (Pi) conditions, plants secreted acid phophatases into rhizosphere or vacuole of cells to degrade the enviromental organic phsophate or recycle vivo organic phosphate, which greatly improved the adaptation to Pi starvation stress of plants. Recent researches showed that the major secreted acid phosphatases all belonged to purple acid phosphatase (PAP) subfamily Ia in Arabidopsis. However, in rice the secreted acid phosphatases and its function in adaptation to Pi starvation stress are unknown. Previously, we found that there are five members of PAP subfamily Ia in rice including OsPAP10a，OsPAP10b，OsPAP10c，OsPAP10d and OsPAP26. To identify the secreted acid phosphatases and elucidate the functions of these proteins in rice, we will analyze the expression patterns and enzyme activity of PAP subfamily Ia in this study. Combining with analyzing the mutants and transgenic plants of these targets genes, we will firstly characterize the secreted acid phosphatases in rice and assess the applicative potentials of these genes in agricultures. Meantime, as the regulation of secreted PAPs were largely unknown in plants, we will try to dissect the regulation pathway of these PAPs with the plentiful genetic materials in our lab.

缺磷条件下，植物通过分泌酸性磷酸酶降解土壤中的有机磷和动员体内的有机磷来提高植物的适应性。拟南芥缺磷适应性反应时分泌的酸性磷酸酶均属于紫色酸性磷酸酶（PAP）Ia亚家族成员。而水稻在缺磷条件下，主要的分泌型酸性磷酸酶及其在缺磷适应性中的作用还未知。前期研究中，我们鉴定了5个水稻PAP Ia亚家族成员，包括OsPAP10a，OsPAP10b，OsPAP10c，OsPAP10d和OsPAP26。本项目拟采用正向遗传学和蛋白组学方法，研究PAP Ia亚家族成员的表达模式和酶活性，结合超表达和突变体材料鉴定水稻在缺磷条件下主要的分泌型酸性磷酸酶，并阐明这些蛋白在水稻缺磷的条件下的生理功能。同时，利用前期研究积累的水稻磷信号关键基因的遗传材料来研究这些蛋白的调控方式。本研究预期能明确水稻主要的分泌型酸性磷酸酶基因、功能及调控方式，为水稻磷高效品种改良提供理论基础。

虽然地壳中含有丰富的磷元素，但是大部分都不能被植物利用，因而磷营养缺乏是全球农业的一个核心问题。缺磷条件下，植物会诱导酸性磷酸酶分泌至液泡中和细胞外环境。一般而言，这些分泌的酸性磷酸酶将利用胞内和胞外的有机磷，来提高植物的缺磷适应性。紫色酸性磷酸酶Ia家族在这一过程中发挥重要作用。.本研究中，通过进化分析，我们将紫色酸性磷酸酶Ia家族分为四个亚家族。其中第三亚家族Ia-3是一个单子叶特异性的家族，在水稻中含有3个成员，分别是OsPAP10b，OsPAP10c和OsPAP10d。这个三个基因在水稻基因组中前后相连，位于一段10 kb区域内。然而，由于OsPAP10b和OsPAP10d基因结构被破坏，表达量极低，因此这两个基因可能进化中失去功能，成为是无效基因。相反，OsPAP10a和OsPAP10c均显著受到缺磷诱导表达，而OsPAP26则在所有组织中都有较高水平表达，说明他们的重要功能。. 超表达OsPAP10c的转基因植株能提高叶片和根组织中酸性磷酸酶约5倍，提高分泌至培养基中的酸性磷酸酶约10倍。同时，OsPAP10c表达仅仅在根部受缺磷特异性诱导表达，而且集中于表皮和外皮层表达。与此对应，超表达OsPAP10c能提高有机磷的利用效率，维持植物的生长发育。相反，超表达OsPAP10a仅仅提高酸性磷酸酶活性约两倍。通过OsPAP10a突变体分析证明其为一种主要的酸性磷酸酶并调控水稻的生长发育。凝胶分析实验表明，OsPAP10c是一种主要的分泌型酸性磷酸酶并且积累于胞外营养液中，而OsPAP10a则不会大量分泌到营养液中。综上所述，OsPAP10c是水稻中一种主要的分泌型酸性磷酸酶，将环境中的有机磷降解为无机磷共水稻利用，而OsPAP10a参与确磷条件下调控植株的生长发育。. 虽然在老叶和非老叶中，OsPAP26的表达量不变，但是其蛋白在老叶中超积累。超表达OsPAP26显著提高叶片中的酸性磷酸酶含量，相反，RNA干涉OsPAP26显著降低叶片中酸性磷酸酶含量。这种酸性磷酸酶活性的改变，也会改变老叶和新叶中磷含量分布。超表达OsPAP26提高了新叶中磷含量而降低老叶磷含量，说明该基因能促进磷由老叶向新叶转移。相反，RNA干涉则导致磷不能运输出老叶，进而延缓了老叶的衰老。