GmAP2转录因子通过调控ABA信号与根系发育增强拟南芥对铝毒和低磷胁迫的双重耐受性

酸性土壤中铝毒(Al3+)与低磷(LP)胁迫共同制约作物生长。本研究通过转基因技术发现大豆转录因子GmAP2能同时响应酸铝和低磷胁迫，调控AtALMT1/AtMATE等铝耐受基因及AtPHR1/AtPHT1;1等磷吸收基因表达，促进根系发育并激活ABA信号通路，显著提升拟南芥对双重胁迫的耐受性，为抗逆育种提供新靶点。

　　

在全球酸性土壤分布区，铝毒和磷匮乏是制约作物生长的两大关键因素。当土壤pH值低于5.5时，铝元素以剧毒的Al³⁺形态存在，严重抑制植物根系发育；同时，酸性土壤中的铁铝氧化物极易与磷元素形成难溶性复合物，导致土壤有效磷含量急剧下降。面对这种协同胁迫，植物进化出复杂的调控机制，其中AP2/ERF（APETALA2/乙烯响应因子）转录因子家族被证实广泛参与逆境响应，但能否同时调控铝毒和低磷耐受性仍是未解之谜。

近期《Plant Cell Reports》发表的研究论文揭示，来自大豆的GmAP2基因具有双重抗逆功能。该基因编码一个核定位的AP2/ERF转录因子，其表达受酸铝胁迫、低磷胁迫和脱落酸(ABA)共同诱导。通过转基因技术，研究人员在拟南芥和大豆毛根系统中验证了GmAP2过表达能显著增强植物对铝毒和低磷的耐受性，其分子机制涉及有机酸转运蛋白调控、激素信号通路重编程和根系架构重塑等多重途径。

本研究采用多技术联用策略：通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析基因表达模式；利用激光共聚焦显微镜进行亚细胞定位；采用酵母双杂交系统验证转录自激活活性；通过农杆菌介导的拟南芥遗传转化和大豆毛根转化（品种华春6号和BX13）获得转基因材料；使用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测定根尖铝离子含量；结合比色法测定丙二醛(MDA)和脯氨酸含量；借助血氧素染色可视化铝离子分布。

表达模式与蛋白特性分析

GmAP2组成型表达于大豆各组织，根中表达量最高。在50μM AlCl₃(pH4.5)处理8小时后，表达量提升6倍；在5μM低磷处理14天后，表达量上调8.1倍。蛋白定位实验证实GmAP2定位于细胞核，酵母自激活试验表明其具有转录激活活性。

酸铝胁迫表型分析

在含100μM AlCl₃的培养基中，转基因拟南芥的相对根伸长率比野生型提高50%以上，根尖铝离子积累量降低40%，地上部MDA含量下降而脯氨酸含量显著上升。血氧素染色显示转基因毛根铝积累减少。

低磷胁迫表型分析

在5μM低磷条件下，转基因植株主根长度比野生型延长36%，侧根数量增加74%，全株磷含量提升22%。毛根转化实验证实过表达GmAP2能显著促进磷吸收和生物量积累。

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分子机制解析

在酸铝胁迫下，GmAP2激活铝耐受基因AtALMT1、AtMATE、AtALS3和AtSTOP1的表达，同时调控ABA信号通路关键基因AtABI5、AtRD29A和AtRAP2.6的上调。在低磷胁迫下，磷吸收基因AtPHT1;1、AtPHO1和AtPHR1表达显著增强，并通过下调AtERF13和上调AtKCS16促进侧根发育。

研究

研究结论表明，GmAP2通过三重机制增强胁迫耐受性：1）调控有机酸转运蛋白基因表达减轻铝毒害；2）激活磷转运系统提升磷吸收效率；3）通过ABA信号通路和ERF家族基因网络协调根系发育。该研究首次揭示单个AP2/ERF转录因子同时调控铝毒和低磷耐受性的分子机制，为培育抗逆作物品种提供了理论依据和基因资源。值得一提的是，GmAP2与拟南芥AtERF71存在直系同源关系，后者已被证实通过调控细胞扩张促进根系生长，暗示该调控通路在进化上可能保守。

本研究由华南农业大学国家大豆改良中心广东分中心完成，采用多学科交叉方法系统解析了GmAP2的双重抗逆功能，为应对酸性土壤作物生产挑战提供了新颖解决方案。