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根系生物学研究中心揭示大豆根系“顾此失彼”应对酸性土壤低磷、铝、锰胁迫的分子机制

花匠小妙招
2024-11-14 19:44

　　资源环境学院根系生物学研究中心、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室梁翠月研究员课题组在Plant, Cell & Environment和Journal of Hazardous Materials（中科院一区Top期刊）分别在线发表了题为“GmSTOP1-3 Increases Soybean Manganese Accumulation Under Phosphorus Deficiency by Regulating GmMATE2/13 and GmZIP6/GmIREG3”和“GmSTOP1-3 regulates flavonoid synthesis to reduce ROS accumulation and enhance aluminum tolerance in soybean”等系列研究论文。揭示了大豆“顾此失彼”地应对酸性土壤养分胁迫的机制。

　　我国酸性土壤面积约占全国土地面积的21%。酸性土壤中限制作物生产的主要因子包括养分有效性低（如：氮、磷）和金属毒害（如：铝、锰）等。因此，阐明大豆综合适应酸性土壤低磷、铝、锰胁迫的调控机制，是实现大豆在南方扩种的重要理论基础。该研究发现，大豆C2H2锌指蛋白转录因子基因GmSTOP1-3的表达水平受低磷、铝和锰处理上调。超量表达GmSTOP1-3不仅提高了大豆植株磷效率，增强其耐铝毒能力，同时也提高了植株的锰敏感性。综合转录组和代谢组分析，发现GmSTOP1-3通过增加根系有机酸分泌及改变黄酮类物质合成代谢途径，增强大豆耐铝毒能力。然而，GmSTOP1-3调控的根系有机酸分泌同时也增加了土壤锰有效性，导致植株锰的过量累积。结合酵母单杂，双荧光素酶报告基因检测，以及凝胶迁移等实验证明，GmSTOP1-3能够直接激活膜定位柠檬酸转运蛋白编码基因GmMATE2/13的表达，促进大豆根系柠檬酸的分泌；同时也直接激活了金属转运蛋白基因GmZIP6/GmIREG3的表达，促进锰的吸收。因此，在酸性土壤上，大豆GmSTOP1-3调控有机酸分泌促进根尖耐铝毒和活化难溶无机磷的同时，不可避免地增加了土壤可溶态和交换态Mn2+的含量，而金属转运蛋白基因表达水平的提高也直接促进锰的吸收，导致大豆植株锰中毒的现象。

GmSTOP1调控大豆根系应对酸性土壤低磷、铝毒和锰胁迫的模式图

　　上述文章中，根系生物学研究中心在职博士后刘国选和陈倩倩为Plant, Cell & Environment论文共同第一作者，刘国选为Journal of Hazardous Materials论文第一作者。梁翠月研究员和田江研究员为论文共同通讯作者。上述研究得到了国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划、“十四五”广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目、国家自然科学基金等项目资助。

　　相关论文链接：https://doi.org/10.1111/pce.15254；

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136074。

文图/资源环境学院