谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用制造技术

本发明专利技术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。

Application of glutamine in low phosphorus rhizosphere acidification

The invention is called the application of glutamine in the acidification of low phosphorus rhizosphere, and belongs to the field of agricultural technology. Glutamine, as an important amino acid molecule, not only participates in photorespiration and nitrogen assimilation, but also acts as a signal molecule to sense the low phosphorus status in plant leaves and transfer it from leaves to roots, thus regulating the level of rhizosphere acidification and affecting the uptake and utilization of inorganic phosphorus by plants. In addition, the mutant p444 associated with glutamine accumulation also had similar phenotype of rhizosphere acidification deletion, which further indicated that endogenous glutamine was involved in the process of rhizosphere acidification as a signal molecule. Glutamine supplementation at the root of wheat seedlings can increase resistance to low phosphorus stress. The functional analysis and identification of glutamine have established the reaction characteristics and molecular mechanism of glutamine in plant phosphorus nutrition utilization. It has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用
本专利技术涉及农业技术，特别是指谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，专利技术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。通过小麦实验表明，通过对谷氨酰胺的信号功能和作用机制分析，为获得转基因磷高效作物新品系，提高农作物在低磷胁迫下的抗逆性提供研究基础和前提。所述的谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，步骤为：将谷氨酰胺加入水中，振荡摇匀得谷氨酰胺水溶液，用谷氨酰胺水溶液对作物进行根灌。所述谷氨酰胺水溶液的浓度为50μM-500μM。所述根灌的具体操作为：在水培作物应用中，向培养液中加入谷氨酰胺水溶液，使谷氨酰胺的终浓度为50-500μM，完成根灌。所述的谷氨酰胺作为抑制根际酸化反应的应用在作物叶柄处注射6-10µL的浓度为50-500µM的谷氨酰胺。本技术方案能产生的有益效果：（1）根部施加谷氨酰胺有助于植物抗低磷胁迫，尤其是对低磷条件下初期的根部生长有明显促进作用；从机理上来讲，在低磷条件下，谷氨酰胺作为信号分子，在叶片中可起到远距离调控作用，使植物根部降低根际酸化作用，提高低磷胁迫的耐受性。（2）磷作为作物生长过程中必不可少的营养元素，很容易缺乏，且常规的作物肥料施加后能被作物吸收的少之又少，在低磷情况下作物会出现植株矮小、发僵、出叶慢、叶片少而小等不良性状，面对这种常见的作物疾病，种植人员常常采用撒肥料操作，施加肥料一方面增加种植人员负担、另一方面起效慢，有时会造成不可逆的危害，本申请技术人员致力于解决这一技术难题，发现谷氨酰胺在对抗低磷胁迫方面具有巨大的作用，因此可通过对作为施加谷氨酰胺来解决缺磷带来的危害，且方法方便，可喷洒、根灌或进行注射，切实高效的解决了该技术难题，带来巨大的商业应用价值。附图说明图1为突变体p444及互补转基因植株的根际酸化表型。图2为WT与p444突变体体内谷氨酰胺含量的差异。图3为低磷胁迫下体外施加不同浓度谷氨酸和谷氨酰胺的根际酸化反应特征。图4为野生型叶柄注射谷氨酰胺的低磷根际酸化反应特征。图5为WT与p444嫁接后的根际酸化表型。图6为小麦幼苗施加谷氨酰胺后的抗低磷胁迫表型。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。根际酸化缺失突变体p444是专利技术人筛选的得到拟南芥突变体，通过图位克隆分析表明，p444突变体的突变位点位于GLU1。用溴甲酚紫指示剂原位显色法对回补株系进行分析，在低磷胁迫后，回补株系根基酸化程度在表型和酸化定量上与野生型基本一致（图1），该结果说明p444突变体是由GLU1基因突变引起的，GLU1基因参与调控低磷诱导的根际酸化过程。已有研究证明，GLU1基因编码谷氨酸合成酶，该酶催化谷氨酰胺转化为谷氨酸，该酶的突变有可能影响拟南芥体内谷氨酰胺和谷氨酸的含量。为了验证该基因突变后是否会引起植物内源性的谷氨酰胺和谷氨酸含量发生变化，实验采用液相色谱和质谱联用法，测定WT与突变体p444不同部位的谷氨酰胺含量。将正常生长10d左右的野生型和突变体p444幼苗进行正常和低磷酸化处理。培养30h左右后，待酸化表型明显后，分别收集野生型和突变体的根和叶。叶片称取0.1g，根称取0.05g(考虑到处理后根系分泌出来的酸会有部分残留于根上，所以将其用双蒸水清洗2遍，放于吸水纸上将表面水分吸干后进行称量)。然后将材料置于2mL离心管中，经液氮速冻，用磨样器研磨(60Hz，90s)，研磨充分后用相应体积的流动相(1/1000冰乙酸，1L超纯水中加1mL冰乙酸，pH在2-3之间)进行溶解(叶处理中加入1mL，根处理中加入0.5mL)，75ºC，水浴，15min。用12000rpm离心20min，吸取上清液。将上清液用直径为0.22μm的滤膜过滤后收集并进行液质联用测定谷氨酰胺的含量。反应条件为：AminexHPX-87H色谱柱，流速0.4mL/min，进样量10μL。根据标准样品出峰时间和面积以及相应摩尔数，将样品峰手动积分进行定量分析。结果如图2所示。野生型在正常和低磷胁迫下，叶中谷氨酰胺都高于根，并且在低磷条件下，叶和根中谷氨酰胺含量都有下降趋势；突变体p444在正常条件下叶中谷氨酰胺高于根中谷氨酰胺含量，但低磷条件下，根中谷氨酰胺含量高于叶中谷氨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，其特征在于：谷氨酰胺作为信号分子调控低磷诱导的拟南芥根际酸化反应方面、提高拟南芥磷元素缺乏耐受方面的应用。

【技术特征摘要】
1.谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，其特征在于：谷氨酰胺作为信号分子调控低磷诱导的拟南芥根际酸化反应方面、提高拟南芥磷元素缺乏耐受方面的应用。2.如权利要求1所述的谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，其特征在于：所述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。3.如权利要求2所述的谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，其特征在于：所述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。4.如权利要求2所述的谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，其特征在于：所述谷氨酰胺是低磷根际酸化反应中地上部分调控地下部分的信号分子。5.如权利要求1所述的谷氨酰胺在低磷根际酸化方面的应用，其特征在于：所述谷氨酰胺作为提高作物的低...

【专利技术属性】
技术研发人员：安国勇，雷凯健，李玉龙，安屹，高雅超，王宁，崔长艳，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41