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磷是植物生长发育不可缺少的大量营养元素之一。但是,土壤中的磷主要是以难溶性无机磷和有机磷等形式存在,难以被植物直接吸收利用。已往的研究表明酸性磷酸酶及植酸酶参与了植物对土壤有机磷的活化利用。柱花草是酸性缺磷土壤上的先锋改良牧草,广泛分布于热带和亚热带地区的酸性土壤中。但是,关于柱花草根系是否存在高效活化利用外源有机磷的分子机制鲜有报道。因此,本研究首先以53份柱花草种质为材料,比较分析低磷胁迫下柱花草根系胞内外的酸性磷酸酶及植酸酶活性的基因型差异。在此基础上,选取能高效活化植酸磷的柱花草基因型,TPRC2001-1作为研究材料,通过质谱分析,鉴定到了根系中受低磷加强累积的4个紫色酸性磷酸酶蛋白,并克隆了其编码基因。随后,进一步研究了它们参与柱花草活化利用外源植酸磷和脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)等有机磷的分子机制。主要结果如下:(1)低磷胁迫下,53份柱花草根系胞内外的酸性磷酸酶及植酸酶活性具有显著的基因型差异。而且,根系胞外的酸性磷酸酶和植酸酶活性的变异系数分别为0.335和0.228,高于根系胞内的酸性磷酸酶和植酸酶活性的变异系数,即0.165和0.139。(2)以根系胞外植酸酶活性差异显著的10个柱花草基因型为材料,研究了它们对外源植酸磷的利用能力。结果表明,柱花草对植酸磷的利用能力存在基因型差异,且与根系胞外的植酸酶活性显著正相关。其中TPRC2001-1对植酸磷的利用能力最强。(3)对TPRC2001-1的酸性磷酸酶同工酶谱分析表明,其根系有1条受低磷胁迫加强累积的同工酶带。质谱鉴定表明该同工酶带由4个紫色酸性磷酸酶组成,并克隆了其编码基因,即SgPAP7、SgPAPl0、SgPAP23私SgPAP26。(4)定量PCR分析结果表明,低磷显著增加了SgP P7、SgPAP10、,SgPAP23和SgPAP26在柱花草根部的表达。烟草表皮细胞的瞬时表达和转基因菜豆毛根蛋白的免疫杂交实验结果均表明,这4个SgPAPs都共定位于细胞质膜和细胞质,但主要定位在细胞质膜上。(5)在菜豆毛根和拟南芥中超量表达SgPAP23均显著提高了转基因材料根系的胞外植酸酶活性。而且,当以植酸磷作为唯一磷源时,超量表达SgPAP23的转基因材料的生物量和全磷含量均显著高于对照系。(6)在菜豆毛根中分别超量表达SgPAP7、SgPAPl0或SgPAP26均能显著提高转基因毛根的胞外酸性磷酸酶活性。而且,当以dNTP作为唯一磷源时,超量表达,SgPAP7、SgPAP10或SgPAP26的转基因材料的生物量和全磷含量均显著高于对照系。综上所述,柱花草对外源有机磷活化利用的能力具有较大的基因型差异,这种差异与其根系胞外的酸性磷酸酶及植酸酶活性显著正相关。而且,低磷胁迫下,磷高效柱花草基因型TPRC2001-1通过上调SgPAP7、SgPAP10、SgPAP26和SgPAP23等4个紫色酸性磷酸酶基因的表达,增强了根系胞外酸性磷酸酶和植酸酶的活性,分别促进了根系对外源植酸磷和dNTP等有机磷的活化利用。因此,本研究初步阐明了紫色酸性磷酸酶参与柱花草高效活化利用外源有机磷的分子机理,对解析柱花草适应酸性低磷土壤的分子机制具有重要意义,并为培育适应酸性低磷土壤的磷高效作物品种提供了优良的候选基因资源。