磷(P)是植物乃至所有生物体的生命特征元素之一,同时也是植物生长发育不可或缺的三大营养素之一,它对作物产量和保持种质资源特性有着重要的作用。而磷在土壤中极易被固定,导致能被植物吸收利用的有效磷极为匮乏,如何提高磷的利用率已成为一个研究热点。作为三大粮食作物之一的玉米,其产量和品质也面临着低磷胁迫的严峻挑战。玉米在形态学层面和生理生化层面都演化出相应的机制来提高磷的吸收和利用率,这些层面的变化归根到底是受磷响应相关基因的调控。高通量测序的数字基因表达谱(DGE)分析技术是目前较为先进的一种基因测序和表达分析技术,与上一代的基因芯片技术相比有着诸多优点。为了进一步研究玉米在低磷条件下相关的响应基因及机能,我们以耐低磷的玉米白交系178为材料,对其进行低磷胁迫处理,对磷饥饿条件和磷充足条件下6、24和72小时三个时间点共计6个样本的幼苗根系进行了 DGE分析,得到以下发现:(1)至少有6,816个基因在低磷胁迫和磷充足条件下出现差异性表达。在这些差异表达基因(DEGs)中,在6小时、24小时、72小时三个时间点里,分别有2,384、2,834、和943个基因表达量上调;有1,233、1,484和2,047个基因表达量下调。上调表达的基因从6小时到24小时数量较多,而下调表达的基因数则在72小时较多,许多基因在6小时和24小时均上调表达,却在72小时下调表达,只8个基因在三个时间点里表达量都上调,另有14个基因在三个时间点内表达量都下调,表明178对低磷胁迫的应答有一个逐步演变的过程。(2)通过筛选高差异表达基因,我们得到上调表达10倍以上的DEGs 688个,其中564个的基因在6小时和24小时持续上调表达,并在24小时达到峰值,这些基因大多在72小时出现表达量下调,其他继续上调的基因其上调幅度量也大大减少,这可能与低磷胁迫时间较长导致植株机制下降有关。下调表达10倍以上的DEGs 394个,其中273个基因在24小时下调达到最峰值,与上调10倍以上的DEGs不同的是,这些基因中的大多数在72小时继续保持下调,只是下调幅度有所减少。大多数上调或下调10倍的基因在24小时达到峰值,同时我们发现所有在24小时时间点差异表达的基因均匀地分布在玉米基因组上,这些现象表明这一时间点是低磷胁迫最关键的时期。(3)通过KOG功能归类,我们注释了 1,978个差异表达基因,其功能包括初级代谢、次级代谢、逆境胁迫、转录调控、发育及其他功能,其中转录调控、初级代谢和次级代谢所占比例最多。基于GO功能归类,大约有2,197、1,389、1,131个基因可以被归类入细胞组件、分子功能、生化进程三个范畴内,并可以再分成30个条目。其中“细胞与细胞器”、“细胞进程与代谢进程”、“绑定与催化活性”三类占主要部分,生物学进程所占的比例大于细胞组分和分子功能。另外,通过路径富集分析的KEGG数据库归类又可以注释出3,595个基因并可归类到四个范畴,123个代谢和信号路径内,发现环境适应这一归类占了相当大的比例,这证明大多数的差异表达基因通过改变它们的表达等级来使178适应低磷胁迫。(4)通过基因功能注释,发现生长素相关的差异表达基因15个,乙烯相关基因11个,根系发育相关基因7个,磷酸酶和核糖核酸酶相关基因28个,磷转运相关的基因5个,以及许多植物激素、TCA循环和有机酸合成相关基因。其中一个生长素输入载体基因在6小时和24小时表达量上升,而一个输出载体基因则在24小时和72小时表达量大幅度减少。表明在低磷胁迫下178通过调节这些基因的表达量来定向地、阶段性地调控根系的生长素浓度,使其在根部聚集。大多数磷酸酶和核糖核酸酶差异表达基因至少在一个时间点上调表达,并在磷胁迫24小时出现最大的表达差异,这是24小时为低磷胁迫关键时期的又一个证明。许多与激素合成相关的基因在短时间缺磷处理(6h、24h)已经开始高强度表达,以调节根系形态适应缺磷条件,而一个磷转运蛋白基因只是在长时间缺磷(72h)处理后才开始表达,丰富了人们对于磷转运蛋白的理解。许多苹果酸、丙酮酸、顺乌头酸、琥珀酸、乙酰辅酶A、MDH、PEPC酶等有机酸合成相关基因的表达量上调,能够促进TCA循环,并有助于根系合成分泌更多的有机酸来释放土壤中的Pi。(5)对差异表达的基因功能注释表明,一些已经其他植物中识别出功能的基因,比如参与根系构建、磷转运及代谢等相关基因,其差异表达在本实验中至少有两倍以上。证明植物适应低磷环境的机能无论在分子层面上还是在形态学层面上都具有保守型。