SPX (SYG1/PH081/XPR1)结构域是位于蛋白质N端含有180个氨基酸残基的结构域,植物中很多含有SPX结构域的蛋白都参与了磷相关的信号转导和调控。目前对于AtSPX1基因功能的研究多集中于磷相关的信号调控方面,AtSPX1基因受磷诱导表达,其蛋白以磷依赖的方式抑制AtPHR1的活性,参与磷稳态调节。水稻中与AtSPX1基因序列相似性最高的同源基因是OsSPX1,其蛋白协同OsSPX2通过与OsPHR2的互作来抑制磷饥饿反应。SPX1/PHR1模型将磷感受和磷信号连接起来。生物信息学的迅速发展,尤其是对高通量组学数据的挖掘,使我们可以预测基因的新功能并进行实验验证。本研究的第一部分工作为基于多维组学数据挖掘研究拟南芥AtSPX1基因的新功能。研究中验证了AtSPX1基因参与磷信号转导的功能,通过对公共数据库中蛋白组学数据的挖掘,构建了AtSPX1的蛋白互作网络。通过对AtSPX1互作蛋白TGA1的功能分析,预测其可能参与SA介导的系统性免疫抗性途径。在SA处理实验中,atspx1突变体表现出对SA不敏感的表型,这验证了AtSPX1基因确实参与了SA介导的免疫防御途径。通过对另一互作蛋白IAAll的功能挖掘分析,预测该基因可能会参与生长素相关的侧根发育过程。将atspx1突变体置于低磷和添加生长素类似物的培养基中生长,发现外源生长素类似物诱导拟南芥侧根发育,并且atspx1突变体表现得不如WT敏感,低磷条件下atspx1的侧根数目多于WT,但是生长素类似物诱导侧根发育的表型不太明显,证明AtSPX1基因是以磷依赖的方式参与了生长素相关的侧根发育过程。另外,借助基因表达谱芯片在转录组学水平上研究了突变体中由于AtSPX1基因功能缺失所导致的基因表达变化。通过对atspx1中差异表达基因的GO功能注释分析,发现大量显著性富集词条与生物胁迫和系统性免疫抗性等植物防卫反应有关。进一步对这些基因所参与的代谢途径进行分析,发现有大量基因参与了生物胁迫代谢通路中,如WRKY转录因子、PR蛋白、信号转导分子、细胞壁蛋白和次级代谢物等。并且还通过qRT-PCR实验验证了上述结果。研究中还发现AtSPX1基因的表达随昼夜变化而呈现出节律性波动,而且地上组织中的磷含量也出现节律性波动的现象。为了研究该基因功能的正常发挥是否依赖于特定的节律调控,按时间序列取WT和atspx1材料,利用RNA-seq技术对其转录组进行分析发现,AtSPX1基因在白天表达较高,在晚上表达较低,并且该基因在特定时间点表达水平的维持对于其功能的正常发挥是必需的。atspx1突变体中AtSPX1基因的表达维持在低水平,引起了大量植物免疫相关基因的表达变化,影响了其系统性免疫诱导的敏感性。为了更深入了解AtSXP1基因功能的机制,通过ChIP-seq技术从表观遗传组学的角度进行了探究,发现很多基因的H3K27ac修饰水平随时间而变化。atspx1突变体与WT相比H3H27ac修饰有差异的基因,很多都与SA相关的免疫信号途径有关。本研究在蛋白组学、转录组学和表观遗传组学多个维度上,都预测出AtSPX1基因参与SA相关的免疫防御反应和生长素相关的侧根发育,并进行了实验验证。研究还发现,AtSPX1基因功能的正常实现需要受到昼夜节律的合理调控,正确的节律性调控对于其参与的免疫防御反应和磷稳态维持是必不可少的。本研究的另一部分工作是水稻OsSPX1基因对抗氧化性的影响。实验室前期工作发现将OsSPX1基因转入拟南芥和烟草可以提高植株耐冷性。在冷处理条件下,OsSPX1-antisense转基因株系表现出敏感表型,对转基因材料在冷处理条件下的基因表达谱芯片的分析发现,OsSPX1-antisense转基因株系中GSTs等与氧化代谢相关的基因的表达明显有别于WT和OsSPX1-sense转基因株系,推测OsSPX1-antisense转基因株系可能在氧化代谢方面有缺陷。甲基紫精(MV)处理实验中OsSPX1-antisense转基因株系对MV敏感的表型验证了上述猜测。在正常生长条件下,OsSPX1-antisense转基因株系体内的过氧化物酶活性明显高于野生型,这可能是为了代偿性弥补OsSPX1-antisense转基因株系在ROS清除方面较弱的缺陷。外源添加GSH可提高OsSPX1-antisense转基因株系对冷胁迫和氧化胁迫的抗性,说明OsSPX1-antisense转基因株系确实是由于对ROS清除能力较弱从而表现出对冷胁迫和氧化胁迫的高度敏感。该研究可以为在农业生产上如何科学地处理施肥和施药之间的关系提供理论支持。综上所述,我们运用了多维组学方法,包括蛋白组学、转录组学和表观遗传组学,结合互作网络和GO注释分析,研究拟南芥和水稻中SPX1可能的新功能。通过实验验证,我们成功鉴定出AtSPXl可能参与SA介导的信号转导通路和生长素调控的侧根发育中。我们也发现AtSPXl基因可能依赖于昼夜节律。另外,我们也发现在水稻中下调OsSPX1的下调表达引起苗期水稻对氧化胁迫的高度敏感。在本研究中所展示的系统生物学的研究为基因功能的数据挖掘提供了思路上的借鉴。