资划所揭示磷素养分调控水稻株型的营养分子生理机制

2018-04-20 | 作者: 阮文渊 | 标签: 水稻

近日,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤植物互作创新团队揭示了水稻响应外界磷素状况调节叶片直立性的细胞学及分子生理学机制,为通过分子设计培育磷养分高效且耐密植的水稻种质提供了理论依据。相关研究成果在线发表在《植物细胞(Plant Cell)》上。



磷素作为大量必需元素,其高效吸收及利用对于植物生长发育至关重要。由于磷素在土壤中易被固定而难以吸收,导致磷肥的当季利用效率比较低(约20%或更低)。在田间生产过程中,主要是通过大量的施加磷肥来克服其容易固定的特点。这使得我国大量的耕地中总磷含量高,而植物能吸收利用的有效磷含量相对较低。因此,培育磷高效的作物是解决土壤可利用磷素相对匮乏的有效手段。此外,作物的耕作模式也极大的影响着作物的养分利用效率。适度的密植能够提高作物养分利用效率和单位面积光合效率,最终提高作物产量。如:合理密植能增加单位面积根系与土壤的接触面积,从而促使植株更充分的利用土壤中各个区域的磷养分。为此,解析外界不同磷素供应状况如何调控水稻叶片的倾角对培育磷高效的水稻至关重要。

水稻长期磷素匮乏的典型症状是“一炷香”,即表现为叶片直立,分蘖减少。然而,低磷胁迫导致叶片直立的细胞学及分子生理学机制一直悬而未决。研究团队利用细胞学和植物营养分子生理学的研究手段发现:低磷胁迫通过抑制叶枕(叶柄与叶鞘的连接区域)处细胞的伸长来限制叶枕的大小,进而使叶片变得更直立。在这个调控过程中,缺磷诱导的SPX1/2蛋白和缺磷抑制的RLI1蛋白协同调控该过程。当磷素匮乏时,SPX1/2能直接与RLI1结合,从而抑制RLI1的转录活性,使RLI1不能激活下游调控细胞伸长的基因BU1 和BC1的表达,从而导致叶片直立。当磷素充足时,SPX1/2的表达受到抑制,而RLI1的表达不受抑制,这使得RLI1能正常激活下游调控基因BU1和BC1的表达,进而促使叶枕处的细胞伸长,最终使叶片的直立性下降。

该调控机制的解析,将有助于科学家根据不同农业生产的需求,设计出不同株型且对外界磷素养分变化敏感或不敏感的水稻品种,达到促进田间磷素利用效率的目标。

相关工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金及中国农科院科技创新工程资助。

文章链接:www.plantcell.org/content/early/2018/04/02/tpc.17.00738

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来源:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所

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