[发明专利]谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用

说明书

本发明的名称为谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，属于农业技术领域。谷氨酰胺作为重要的氨基酸小分子，除了参与光呼吸过程和氮同化之外，还可以作为信号分子感知植物叶片中的低磷状态，从叶片传递到根部，从而调节植物根际酸化水平，影响植物对土壤无机磷的吸收和利用。另外，与谷氨酰胺积累相关的突变体p444也有相类似的根际酸化缺失的表型，进一步说明内源性的谷氨酰胺作为信号分子参与了根际酸化过程。小麦幼苗根部施加谷氨酰胺，可提高低磷胁迫的抗性。我们对谷氨酰胺的功能分析和鉴定，确立了谷氨酰胺在植物磷营养利用中的反应特性和分子机制，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及农业技术，特别是指谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用。

背景技术

磷作为大量营养元素之一，不仅参与构成植物基本结构，同时也参与调节植物的多种生理过程。植物生长发育所需的磷主要是从土壤中吸收获得，虽然土壤中总磷的含量并不低，但由于土壤中大部分的磷与钙、铁、铝等结合，形成难溶性、低移动性的无效磷，因此可以被植物吸收利用的可溶性有效磷非常少，磷营养缺乏是植物生长发育过程中常见的逆境胁迫。植物在长期的进化过程中形成了许多应对低磷胁迫策略。例如：低磷可诱导植物的侧根及根毛的长度及数量的增加，扩大磷营养的吸收面积；低磷也可诱导植物根部分泌有机酸、酶类等物质，将难溶性和不可直接利用磷转换为可溶性磷；低磷也可诱导许多磷饥饿响应基因的表达，提高磷转运蛋白的含量和活性，促进磷跨膜转运和吸收，从而实现植物对土壤磷营养的高效利用。

在低磷胁迫下，拟南芥根际发生酸化，根际pH值能够降至5.5以下，低pH可使不溶磷转换为可溶磷，促进植物对土壤磷营养的高效吸收。酸碱指示剂的溴甲酚紫的颜色在pH5.2-6.8之间由黄色变为紫色，所以根际发生酸化的过程可以由溴甲酚紫的颜色变化直观地显现出来。通过观察含溴甲酚紫的酸化培养基的颜色变化，可直观高效地筛选低磷条件下根际酸化缺失拟南芥突变植株，为从分子水平上揭示磷营养高效吸收利用调控机制奠定了基础。

我们通过突变体筛选，发现引起谷氨酰胺积累的突变体p444调控拟南芥根际酸化反应，嫁接和叶片注射实验证实了在叶片中的谷氨酰胺远距离信号分子调控根际酸化反应。小麦幼苗根灌实验更进一步验证其提高作物低磷胁迫抗性的作用。小分子谷氨酰胺功能的揭示，对促进土壤磷营养吸收具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供拟南芥小分子谷氨酰胺在提高土壤磷营养利用效率方面的应用，该小分子参与介导和调节低磷诱导的根际酸化反应和根际土壤中磷元素的释放，这为实现土壤磷营养的高效利用提供了契机。

本发明的目的还在于提供了一种小分子氨基酸-谷氨酰胺在植物抗低磷胁迫方面的应用，以拓展谷氨酰胺的应用范围和实现土壤磷营养高效的新方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

所述小分子氨基酸-谷氨酰胺，其C₅H₁₀N₂O₃，分子量为146.15。该小分子氨基酸作为信号分子，参与了低磷诱导的根际酸化过程。

通过pH指示剂溴甲酚紫原位显色法及外源施加不同浓度的谷氨酰胺和谷氨酸，发明人发现谷氨酰胺参与了低磷诱导的根际酸化过程。通过叶柄注射实验进一步证明谷氨酰胺是从叶片部位介导根际酸化过程的小分子调控信号。

通过液质联用实验表明，相关突变体p444导致谷氨酰胺含量增加；对谷氨酰胺积累突变体p444的表型和根际pH值进行分析表明，内源性的谷氨酰胺也参与了低磷诱导的根际酸化过程。

通过嫁接实验表明，拟南芥突变体p444以及低磷诱导的根际酸化反应受来自地上部分叶片的远程调控作用。小分子谷氨酰胺在低磷诱导的根际酸化反应中发挥着远距离调控信号作用。