磷是植物生长发育必需的大量元素之一,同时也是植物利用效率最低的元素。增施磷肥可以提高水稻的产量,但是会加快不可再生磷矿资源的耗竭,同时导致水体富营养化,加重环境污染,并在一定程度上增加农业生产的成本。因此,利用植物自身潜力活化和高效吸收土壤中原有的固定态磷,对降低水稻生产中对磷肥的依赖,具有十分重要的意义。本实验以耐低磷型水稻品种仪2434(YI2434)和低磷敏感型水稻品种通粳981(TJ 981)为试验材料,研究了低磷胁迫对水稻根系形态学及生理生化的影响,并利用基因芯片技术、qRT-PCR技术、蛋白组学技术分析了水稻根系基因转录和蛋白表达水平对低磷胁迫的应答,发掘出了磷信号途径、磷活化与高效吸收、磷代谢与利用相关基因,并验证了磷高效利用相关基因在水稻抵抗低磷胁迫中的重要作用。1.低磷胁迫对水稻根系形态和生理生化特性的影响低磷处理15天后,两个供试水稻品种根系的主根长、单株表面积、单株投影面积、单株体积较对照组均有不同程度的增高,且耐低磷型水稻品种仪2434的增高程度更显著。这表明,仪2434能显著增加水稻根系与土壤的接触面积,提高根系对磷的吸收能力。酸性磷酸酶活性的测定结果表明,低磷胁迫下两个水稻品种根系组织中的酸性磷酸酶(APA)和根系所分泌的APA活性均有不同程度的增高,且耐低磷型水稻品种的APA活性的增高程度更显著,这表明APA可促进植株体内外有机磷的活化,提高水稻的耐低磷能力。2.低磷胁迫对水稻根系基因转录的影响对低磷处理15天后仪2434根系中的基因表达水平进行基因芯片检测,结果显示,上调基因共有1329个,下调基因共有1987个,其中本文重点探讨了低磷胁迫诱导表达基因(p ≤0.05)在水稻磷高效吸收与利用中的作用与可能机制,这些基因包括与磷饥饿信号转导、磷活化与高效吸收、磷代谢与利用相关的基因。结果表明：(1)低磷胁迫下的水稻根系中磷饥饿调控蛋白(PHR1)、miR399、SlX基因的诱导表达激活水稻体内的磷饥饿信号途径；(2)酸性磷酸酶(APA)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、电压依赖阴离子通道1(VDAC1)、C-4二羧酸转运／苹果酸转运蛋白(C4-DT/MAT)、磷转运体(OsPT2、OsPT6)、协助转运超家族(MFS)等基因的诱导表达促进水稻根系对磷的活化与高效吸收；(3)核苷酸焦磷酸酶／磷酸二酯酶(NPP)、甘油磷酸二酯酶(GDPD)、磷脂酶(PLC、PLA2)、无机焦磷酸酶(PPase)、海藻糖-6-磷酸酶(TPP)、甘露糖-6-磷酸异构酶(MPI)、蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)、氨基醇转移酶1(AAPT1)等基因的诱导表达促进磷在水稻体内的代谢与高效利用。3.低磷胁迫应答关键基因转录水平的qRT-PCR验证通过对低磷处理不同时间基因转录水平的qRT-PCR检测表明,所选的与磷饥饿信号途径、磷活化与高效吸收、磷代谢与利用相关的三类基因在耐低磷型水稻品种仪2434和低磷敏感型品种通粳981根系中均上调表达,与基因芯片的结果相吻合,但相应基因在仪2434根系中的诱导表达水平明显高于通粳981。在两供试水稻品种根系中10个所选基因的表达水平均随处理时间呈逐步增长趋势,且在仪2434根系中的增幅明显高于通粳981。这进一步证实磷饥饿信号转导、磷活化与高效吸收、磷代谢与高效利用相关基因的表达水平与水稻的耐低磷能力密切相关。4.低磷胁迫对水稻根系蛋白质组表达的影响对磷高效型水稻品种仪2434根系进行双向电泳-质谱检测结果表明,仪2434根系中有多个蛋白在低磷胁迫下显著上调表达,胞质苹果酸脱氢酶(cMDH)上调表达促进有机酸的合成,活化土壤中的有机磷；腺苷酸激酶(AK)、果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(ALD)、磷酸甘油变位酶(PGAM)、烯醇酶等蛋白上调表达调节代谢途径,提高水稻根系对磷素的利用效率；热休克蛋白70家族(HSP70)、谷胱甘肽-S-转移(GST)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等蛋白上调表达增强仪2434根系的抗氧化能力。这些差异表达的蛋白在功能上与基因芯片结果具有一定的一致性,表明磷高效吸收与利用相关基因在水稻抵抗低磷胁迫中发挥了重要作用。5.主要结论低磷胁迫下,与通粳981相比,仪2434叶片磷含量降低幅度较小,说明仪2434水稻根系能高效吸收低磷介质中磷素,维持正常生理生化过程；HR1、miR399、SPX等基因的诱导表达,可以调控仪2434根系磷信号途径下游的磷活化、磷高效吸收与利用相关基因的表达；APA、PAPs、PEPC, ADVC1、 OsPT2、OsPT6等基因诱导表达,cMDH在蛋白质水平上调表达以及APA活性的显著增强,可以加快有机磷和无机磷的水解,促进仪2434根系对磷的高效吸收；PPase、TPP、PLC、PLA2、NPP、GDPD、PTP等基因诱导表达及AK、ALD、PGAM、烯醇酶等蛋白诱导表达可以促进磷在水稻体内的合理分配与高效利用。