蛋白磷酸酶HAD调控大豆根系响应磷营养变化的分子解析

磷是植物所必需的大量元素之一，在植物的生长发育中发挥着重要的作用。土壤中有效磷缺乏已经成为限制作物生长发育的主要因素。以往的研究表明，作物提高根系酸性磷酸酶活性是作物适应低磷胁迫的重要机制之一。本项目以编码新型酸性磷酸酶，High halogen acid dehydrogenase 1 ( HAD1) 家族为研究对象，在大豆中克隆了GmHAD1家族的10个成员。通过定量PCR分析了低磷胁迫对GmHAD1家族成员在大豆不同部位表达模式的调控。在此基础上，选取在大豆叶和根中受低磷胁迫显著增强表达较高的GmHAD1-2为候选基因，进一步研究其酶学的特性和参与调控作物磷效率的生物学功能。主要研究结果表明，低磷胁迫显著加强GmHAD1家族成员在大豆叶、根、花和豆荚等不同器官的表达。尤其是 GmHAD1-2、 GmHAD1-4、GmHAD1-6 和 GmHAD1-7的表达量在大豆中被低磷胁迫上调了10倍以上。通过大肠杆菌的融合表达系统，纯化获得了GmHAD1-2:GST融合表达蛋白。酶学性质的分析结果表明，GmHAD1-2对对硝基苯磷酸环己胺（ρ-NPP）和磷酸化的丝氨酸具有较高的水解酶活性，说明GmHAD1-2兼有酸性磷酸酶和蛋白磷酸酶的酶学性质。通过对GmHAD1-2的RNAi转基因大豆复合植株的研究，发现抑制GmHAD1-2表达显著抑制了大豆复合植株的生长和磷含量。对超量表达GmHAD1-2的转基因拟南芥的分析结果表明，在供磷条件下，超量表达GmHAD1-2的两个株系的鲜重分别比野生型提高了约40%和37%，侧根长提高了约100%和70%。而且，超量表达GmHAD1-2的株系的磷含量显著高于野生型。在此基础上，我们结合双向电泳技术和磷酸化蛋白的染色技术，比较了野生型和超量表达GmHAD1-2转基因株系磷酸化蛋白谱的变化。结果显示，与野生型相比，超量表达GmHAD1-2显著改变了拟南芥磷酸化蛋白谱。其中，有8个蛋白点在转基因株系中的磷酸化水平显著低于野生型。这些结果表明GmHAD1-2是新型的蛋白磷酸酶，通过控制根系的生长，参与调控植物磷效率的生物学功能。