東北地理所在解析調控大豆響應低磷脅迫的分子機制取得新進展
我國用7%的耕地生產了世界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致了環境污染，還加劇了磷資源枯竭。當前磷肥需求量大導致磷資源危機已成為人類面臨的嚴峻問題。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雜數量性狀，磷高效關鍵基因的挖掘及作用機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科組張恒友團隊與河南農業大學張丹教授、南京農業大學喻德躍教授團隊在植物學領域國際頂級期刊The Plant Cell發表題為“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模塊響應低磷脅迫的分子機制。該研究鑒定了一個新的植物磷效率調控模塊，并在大豆中驗證了該模塊在根系發育與磷吸收利用中的調控作用，評估了其對大豆的增產潛力，為高產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、進而提高磷利用效率的科學問題出發，通過整合GWAS和連鎖分析，獲得了一個耐低磷主效QTL基因 GmGDPD2。過表達該基因最優單倍型能顯著促進根系生長發育和有機酸分泌，提高大豆對磷的吸收及大豆產量。而敲除該基因則抑制大豆根系生長并降低磷利用效率，且根系發育受阻可通過外源噴施GA合成抑制劑得到恢復。過表達和敲除其互作基因GmGA2ox1也表現出相似表型，且雙突株系表型表現出疊加效應，表明兩基因在應對低磷脅迫中具有協同作用。進一步研究發現上游轉錄因子GmMyb73可以通過結合GmGDPD2啟動子抑制其表達，進而負調控大豆對低磷脅迫的耐受性。這些結果表明GmGDPD2可能通過感知上游信號進而調節根系激素水平影響根系細胞分裂來調節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控模塊，闡明了以GmGDPD2為中心的分子模塊是如何調控大豆根系發育和低磷耐受力。GmMyb73感知磷饑餓后表達下調，促進GmGDPD2的表達，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，誘導側根和根毛形成，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構特性來提高大豆對低磷脅迫的耐受性并最終提高產量，為未來通過協同改良多個性狀實現大豆產量潛力突破、減少磷肥施用提供了新思路。
圖1調控大豆耐低磷特性的Myb73-GDPD2-GA2ox1模型
研究成果近期發表在The Plant Cell上，河南農業大學胡丹丹、崔瑞凡、王珂與楊宇明為共同第一作者，河南農業大學張丹教授、東北地理所張恒友研究員與南京農業大學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新團隊（2022CXTD03）、國家自然科學基金（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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