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资源与环境学院微量元素研究中心王创研究团队在水稻酸性磷酸酶OsACP1于低磷胁迫下的调节机制中取得新进展
发布时间:2021-09-26

9月22日,Plant Cell and Environment在线发表了资源与环境学院微量元素研究中心王创研究团队题为“Rice ACID PHOSPHATASE 1 regulates Pi stress adaptation by maintaining intracellular Pi homeostasis”的研究论文。该研究发现水稻酸性磷酸酶OsACP1 通过维持细胞内磷酸盐稳态来调节低磷胁迫适应性。

磷(P)是所有生物体所必需的大量元素之一,在土壤中以无机磷酸盐(Pi)和有机磷(Po)的形式存在,其中植物只能吸收水溶性Pi。尽管P在地壳中含量丰富,但它通常以Po或与其他金属固定的形式存在于土壤中,植物因无法利用而造成缺Pi胁迫。研究发现Pi饥饿信号可诱导酸性磷酸酶(APase)和有机酸的分泌,以从土壤中动员固定的P,从而释放和增加可供植物吸收的Pi。除提高环境中P的吸收效率外,植物还可从细胞内Po中回收再利用Pi,提高Pi胁迫条件下的适应能力。

HAD超家族以细菌中的卤代酸脱卤酶命名,其中大多数参与磷酰基转移,包括磷酸酶、P型ATP酶、磷酸化酶和磷酸化转移酶,一些HAD基因可作为APases来调节低Pi胁迫耐受性。据报道,水稻ACID PHOSPHATASE 1(OsACP1或OsHAD2)能够快速响应Pi饥饿,但尚不清楚OsACP1的生化和生理功能。系统发育分析表明OsACP1属于PHOSPHO1亚家族,PHOSPHO1是首次从人体克隆出的一种编码酸性磷酸酶的基因。

本研究经qRT-PCR证实,叶和根中的OsACP1在Pi饥饿处理的第7天被显著诱导表达。在辅助因子Mg2+存在情况下,OsACP1具有较高的酸性磷酸酶活性,且具有广泛的Po底物选择性。荧光观察显示,OsACP1定位于内质网和高尔基体。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得了acp1敲除突变体,结果发现在Pi充足和缺乏条件下,突变体生长均受抑制,最终导致产量降低。OsACP1过表达与上述结果类似(图1)。在Pi充足条件下,OsACP1过表达植株的叶片顶端出现坏死表型,这是水稻中Pi过度积累的典型症状,表明OsACP1过表达增加了叶片中Pi的浓度(图2)。

图1 对照和OsACP1过表达植株在Pi充足(+P)和缺乏(-P)条件下的生长表型

图1 对照和OsACP1过表达植株在Pi充足(+P)和缺乏(-P)条件下的生长表型

图2 在Pi充足(+P)和缺乏(-P)条件下,OsACP1过表达株系10日龄的幼苗表型,以及一段时间内每片叶子的Pi浓度变化

图2 在Pi充足(+P)和缺乏(-P)条件下,OsACP1过表达株系10日龄的幼苗表型,以及一段时间内每片叶子的Pi浓度变化

据报道,拟南芥AtPECP1和AtPECP2(又被命名为AtPS2/AtPPsPase1)在Pi饥饿条件下水解磷酸胆碱(PCho)和磷酸乙醇胺(PEA)。由于OsACP1对PEA具有较高的磷酸酶活性,因此在OsACP1突变体和过表达株系中检测其产物乙醇胺(EA)和相应胆碱(Cho)的浓度,结果发现Pi充足和缺乏条件下,OsACP1过表达均使两者的浓度显著增加,相反,OsACP1功能缺失并不影响水稻中EA的浓度,但其在Pi缺乏时的Cho浓度却明显降低。OsACP1过表达植株的Pi浓度和磷脂组成发生了显著变化,经进一步检测发现,在Pi饥饿条件下,OsACP1过表达植株中OsIPS1、OsPAP10a、OsGDPD2和OsMGD3等多个Pi饥饿响应(PSI)基因的诱导表达水平明显低于WT,表明OsACP1对Pi饥饿信号具有抑制作用。

综上表明,OsACP1作为一种酸性磷酸酶,从内质网和高尔基体中的非必需磷酸酯中回收Pi,以维持水稻Pi稳态,细胞内磷酸酯类释放的Pi会缓解Pi胁迫反应。我校博士研究生邓素仁为本文第一作者,该研究得到了国家科学基金和中央大学基础研究基金的资助与支持。

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