東北地理所在解析調(diào)控大豆響應(yīng)低磷脅迫的分子機(jī)制取得新進(jìn)展
我國用7%的耕地生產(chǎn)了世界21%的糧食，同時消耗了全球35%的化肥，尤其磷肥單位面積使用量是世界平均水平的2倍以上，而磷肥的當(dāng)季利用率卻不足20%。大量施用磷肥以及土壤磷肥利用率低不僅導(dǎo)致了環(huán)境污染，還加劇了磷資源枯竭。當(dāng)前磷肥需求量大導(dǎo)致磷資源危機(jī)已成為人類面臨的嚴(yán)峻問題。因此，充分挖掘植物自身的遺傳潛力，提高作物對土壤磷素的吸收利用效率是解決供磷與磷流失矛盾的有效途徑。但由于植物磷利用效率屬于典型的復(fù)雜數(shù)量性狀，磷高效關(guān)鍵基因的挖掘及作用機(jī)制研究尚處于初步階段。
近日，東北地理所大豆遺傳與分子改良學(xué)科組張恒友團(tuán)隊與河南農(nóng)業(yè)大學(xué)張丹教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)喻德躍教授團(tuán)隊在植物學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊The Plant Cell發(fā)表題為“The Myb73-GDPD2-GA2ox1transcriptional regulatory module confers phosphate deficiency tolerance in soybean”的研究論文，揭示了大豆通過Myb73-GDPD2-GA2ox1模塊響應(yīng)低磷脅迫的分子機(jī)制。該研究鑒定了一個新的植物磷效率調(diào)控模塊，并在大豆中驗證了該模塊在根系發(fā)育與磷吸收利用中的調(diào)控作用，評估了其對大豆的增產(chǎn)潛力，為高產(chǎn)高效大豆新品種培育提供了信息支持。
該研究針對大豆需磷量高和土壤有效磷含量低的矛盾，從改良大豆自身遺傳潛力、突破土壤缺磷及磷利用率低的瓶頸限制、進(jìn)而提高磷利用效率的科學(xué)問題出發(fā)，通過整合GWAS和連鎖分析，獲得了一個耐低磷主效QTL基因 GmGDPD2。過表達(dá)該基因最優(yōu)單倍型能顯著促進(jìn)根系生長發(fā)育和有機(jī)酸分泌，提高大豆對磷的吸收及大豆產(chǎn)量。而敲除該基因則抑制大豆根系生長并降低磷利用效率，且根系發(fā)育受阻可通過外源噴施GA合成抑制劑得到恢復(fù)。過表達(dá)和敲除其互作基因GmGA2ox1也表現(xiàn)出相似表型，且雙突株系表型表現(xiàn)出疊加效應(yīng)，表明兩基因在應(yīng)對低磷脅迫中具有協(xié)同作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)上游轉(zhuǎn)錄因子GmMyb73可以通過結(jié)合GmGDPD2啟動子抑制其表達(dá)，進(jìn)而負(fù)調(diào)控大豆對低磷脅迫的耐受性。這些結(jié)果表明GmGDPD2可能通過感知上游信號進(jìn)而調(diào)節(jié)根系激素水平影響根系細(xì)胞分裂來調(diào)節(jié)大豆對低磷脅迫的耐受性（圖1）。
該研究鑒定了一個新的植物磷效率調(diào)控模塊，闡明了以GmGDPD2為中心的分子模塊是如何調(diào)控大豆根系發(fā)育和低磷耐受力。GmMyb73感知磷饑餓后表達(dá)下調(diào)，促進(jìn)GmGDPD2的表達(dá)，并通過GmGA2ox1活性影響GA、生長素與乙烯等激素水平抑制主根伸長，誘導(dǎo)側(cè)根和根毛形成，從而影響磷的吸收與利用。因此，以GmGDPD2為中心的磷效率調(diào)控模塊代表了一個很有潛力的核心樞紐，可以通過重塑根系結(jié)構(gòu)特性來提高大豆對低磷脅迫的耐受性并最終提高產(chǎn)量，為未來通過協(xié)同改良多個性狀實現(xiàn)大豆產(chǎn)量潛力突破、減少磷肥施用提供了新思路。
圖1調(diào)控大豆耐低磷特性的Myb73-GDPD2-GA2ox1模型
研究成果近期發(fā)表在The Plant Cell上，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡丹丹、崔瑞凡、王珂與楊宇明為共同第一作者，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)張丹教授、東北地理所張恒友研究員與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)喻德躍教授為共同通訊作者，東北地理所王樂博士參與了本項研究。研究得到東北地理所創(chuàng)新團(tuán)隊（2022CXTD03）、國家自然科學(xué)基金（32272176）和黑龍江省杰出青年基金（JQ2022C005）項目部分資助。
論文信息：
Hu D, Cui R, Wang K, Yang Y, Wang R, Zhu H, He M, Fan Y, Wang L, Wang L, Chu S, Zhang J, Zhang S, Yang Y, Zhai X, Lv H, Zhang D, Wang J, Kong F, Yu D, Zhang H, Zhang D (2024) The Myb73-GDPD2-GA2ox1 transcriptional regulatory module confers phosphate deficiency tolerance in soybean. Plant Cell. doi:10.1093/plcell/koae041
論文鏈接：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae041/7606655
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