大豆是我国重要的粮油作物,也是动物饲料的重要蛋白来源。磷作为构成生物体的必需营养元素之一,也是肥料三要素中重要的组成元素。土壤中有效磷含量低,会严重抑制作物生长。以往的研究结果表明根系分泌的苹果酸参与活化了土壤中的难溶性磷,促进了植物对磷的吸收利用。因此,深入解析苹果酸在大豆耐低磷胁迫过程中的生理与分子机制对培育磷高效的大豆品种有重要理论意义。本研究首先以28份大豆品种为材料,比较分析低磷胁迫下大豆根系内源苹果酸含量的基因型差异。在此基础上,选取磷高效品种YC03-3作为研究材料,在全基因组范围内鉴定出参与苹果酸合成的大豆苹果酸脱氢酶（GmMDHs）基因家族成员,并对大豆GmMDHs家族成员进行生物信息学及表达模式分析。然后,本研究选取了在叶部和根部均受低磷诱导上调表达的GmMDH3为研究对象,通过对其蛋白生化功能的研究,结合转基因酵母和拟南芥的功能分析,初步明确了GmMDH3控制大豆根系苹果酸合成的生理和分子机制,主要研究结果如下:1.比较分析了磷有效性对28个大豆品种生长的影响。实验结果表明,与正常磷处理（+P）相比,低磷处理（-P）下,虽然大豆地上部鲜重显著减少,但是地下部鲜重、主根长、总根数和根表面积显著增加。进一步分析了低磷胁迫对大豆根系内源苹果酸含量的影响。结果显示,低磷条件下,28个大豆品种中有17个大豆品种根系内源苹果酸含量显著高于正常磷处理,而且大豆根系内源苹果酸含量存在显著的基因型差异。2.通过对GmMDHs基因家族成员进行表达模式分析发现,在低磷胁迫14天时,16个GmMDHs基因成员中,分别有9个和4个成员的表达量在大豆叶部和根部显著增加。筛选出一个在叶部和根部均受低磷胁迫显著上调表达的GmMDH3基因作为研究对象,进一步研究了低磷胁迫不同天数对GmMDH3基因在大豆不同组织部位表达量的影响。结果表明,在低磷胁迫第7天时,尽管GmMDH3在根系中的表达量不受低磷影响,但是在新叶和老叶中的表达量与高磷相比均增加了4.0倍;此外,在低磷胁迫第14天时,GmMDH3基因在新叶、老叶和根中表达量均显著增加,分别增加了1.4、0.4和2.0倍。在低磷胁迫第21天时,GmMDH3表达量在新叶、老叶和根中表达量分别增加了0.4、0.4和4.5倍。3.在不同磷处理下,分析了GmMDH3启动子融合GUS报告基因的大豆毛根的GUS活性,分析结果表明在低磷胁迫下大豆离体毛根根尖、侧根原基和中柱等部位具有较高的GUS活性,揭示了低磷胁迫主要促进GmMDH3在这些根部组织中表达。烟草叶片亚细胞定位结果表明,GmMDH3-GFP的绿色荧光主要存在于细胞膜和细胞质上,表明GmMDH3定位于细胞膜和细胞质上。4.通过大肠杆菌异源表达,纯化了GmMDH3-GST融合表达蛋白,并分析了其酶学特性。结果表明,在以草酰乙酸（OAA）为底物,NADH为辅酶时,GmMDH3酶促反应的Km值为0.23 mM,Vmax值为21.56 nmol-1min-1mg-1,酶促反应的Kcat/Km比值为2.81 mmol-1min-1。但在以苹果酸（Malate）为底物,NAD+为辅酶时并无催化反应,暗示了GmMDH3蛋白仅具有催化草酰乙酸合成苹果酸的功能。在以1 mmol L-1的草酰乙酸为底物,0.5 mmol L-1NADH为辅酶时,GmMDH3酶活的最适p H为8.0。5.在酵母中超量表达GmMDH3的实验结果显示,在钙磷条件下,超量表达GmMDH3促进了转基因酵母内源苹果酸浓度,三个转基因菌株与对照相比分别提高了12.4%、11.7%和12%。而且,转基因菌株酵母液体培养基中的可溶性磷浓度显著增加,说明超量表达该基因能增加钙磷的活化利用,促进酵母生长。6.与野生型拟南芥相比,在拟南芥中超量表达GmMDH3可以显著增加内源苹果酸的浓度。在低磷（-P）条件下,超量表达GmMDH3的转基因拟南芥全磷含量显著高于野生型。而且,在钙磷（Ca-P）作为唯一磷源的培养条件下,三个转基因拟南芥株系的生物量、全磷含量和内源苹果酸浓度比野生型拟南芥分别高出52.1%、22.4%和32.1%,表明超量表达GmMDH3能提高拟南芥对外源钙磷的活化利用。综上所述,本研究初步明确了GmMDH3可能通过控制大豆根系苹果酸合成提高大豆低磷耐受性的生物学功能。本研究为进一步研究大豆适应低磷胁迫的机制奠定了基础,也为培育磷高效的大豆优良品种提供了候选基因。