蔗糖介导的植物对低磷胁迫反应的分子机理研究

当植物在缺乏磷素的条件下生长时，会产生一系列形态发育和生理生化上的变化，以适应这一不良的营养环境。过去的研究表明植物细胞内的蔗糖对引发植物的低磷胁迫反应是必须的。但目前我们对蔗糖介导植物低磷胁迫反应的分子机制仍一无所知。在本实验室前期的研究工作中，我们获得了一个对低磷胁迫超敏感的拟南芥突变体hps1。分子遗传学分析表明，hps1的突变性状是由于蔗糖转运蛋白SUC2基因的过量表达，导致植物细胞内积累高浓度的蔗糖引起的。本项目的研究目标是鉴定和克隆参与蔗糖介导植物低磷胁迫反应的信号转导组分。我们将主要采用以下两条技术途径开展研究工作：1）以hps1突变体为材料，筛选其遗传抑制子，并进行基因克隆；2）利用已获得的hps1和野生型的基因表达谱数据，筛选候选基因，并利用基因过表达或基因敲除手段来分析其功能。本研究的结果将有可能为培育高效利用土壤养分的作物新品种提供理论依据。

本项目围绕蔗糖在低磷胁迫中的作用开展研究，获得了以下研究成果。.1）.确定了蔗糖不仅仅在植物对低磷胁迫中起着关键作用， 而且在植物对缺氮，缺钾和整体营养水平缺乏的反应过程中，起着重要的作用。.2）.我们通过构建双突变体，采用化学抑制剂等方法，证明了在调控低磷诱导酸性磷酸酶活性的过程中， 乙烯的作用依赖于蔗糖， 而蔗糖的作用不依赖于乙烯。我们并进一步证明，蔗糖的存在对于低磷诱导酸性磷酸酶基因是必须的。而乙烯的作用主要在于调控酸性磷酸酶蛋白的分泌，而不影响AtPAP10基因的转录和蛋白的积累。.3）.我们筛选了蔗糖高积累突变体hps1的遗传抑制子，并克隆了其中两个基因。hps1突变体的表型是由于其中的蔗糖转运蛋白SUC2基因的过表达造成的。我们获得的两个遗传抑制子均是由于SUC2基因表达的回复而引起的。基因克隆表明这两个遗传抑制子均为参与基因沉默和调控基因组甲基化水平的DNA结合蛋白。.4）.获得了一个对低磷胁迫反应不敏感的突变体。该突变体叶片中蔗糖的含量只有野生型的一半。基因克隆表明，突变基因编码一假尿嘧啶合成酶，影响叶绿体中核糖体RNA的剪切。这一突变体的获得为下一步筛选蔗糖相关遗传抑制子提供了极佳的材料。.5）.为了深入了解蔗糖调控低磷胁迫反应的分子机制， 我们对野生型和蔗糖高积累突变体进行了比较蛋白质组学的研究。结果表明，野生型在低磷条件下生长时中，变化最显著的蛋白是和蛋白质的合成有关。大量的叶绿体核糖体蛋白表达下降，而多个蛋白酶表达上升。另外我们还发现参与硫苷合成和支链氨基酸合成的蛋白发生了上调。在正常条件下，和野生型相比，突变体hps1中上调的蛋白主要为参与茉莉酸合成的酶，过氧化物酶，和黄酮合成和脂类相关的酶。下调的蛋白中主要有和光合作用暗反应相关的蛋白及大量绿体核糖体蛋白。与正常的野生型相比，生长在低磷条件下的突变体上调的蛋白主要和糖酵解，酯类合成，三羧酸循环，次生代谢和淀粉合成有关的酶。从这些结果可以看出，在低磷条件下，突变体的各种代谢大大增加。而下调的蛋白主要包括参与光合作用的蛋白及叶绿体中各个核糖体蛋白亚基。这些结果说明突变体中光合作用活动急剧下降，这可能于突变体中积累了较多的蔗糖造成的负反馈有关。