生长素是最早被发现的一种植物激素,极性运输的特性是其区别于多种植物激素的独有特征。目前,人们普遍认为生长素输入输出载体在细胞质膜上的不均匀分布实现了生长素的极性运输,并建立了生长素在植物体内的梯度分布。生长素的极性运输参与了植物许多重要的生长发育过程,其中包括植物的分枝、向性生长和根系的生长发育等。生长素及其极性运输不仅影响植物的形态特征,而且和矿质元素的吸收,运输和分布之间存在着密切的联系,矿质营养与植物内源激素的相互关系一直是植物营养研究的重要内容。PIN蛋白家族是目前研究较多的生长素输出载体。在拟南芥中,PIN基因家族一共克隆到了8个基因；水稻中预测到12个PIN的同源基因。OsPIN2是水稻中一个可能的生长素输出载体,我们通过转基因手段对OsPIN2在水稻中的生理功能进行了研究,确定该基因在调控水稻株型、根系生长发育及磷素营养吸收转运方面具有重要作用。主要研究结果如下：1.通过生物信息学分析表明OSPIN2基因位于第6号染色体,其全长基因由7个外显子及6个内含子组成。跨膜结构分析结果显示该基因编码的蛋白在N端和C端含有两个大的跨膜结构域,其间由一个较大的中央亲水环相连。与已报道的其它植物的PIN2蛋白序列联配比较发现,PIN2蛋白两个大的跨膜区域在不同植物间具有高度保守性,但在中间亲水区域存在差异。亚细胞定位结果也证实OsPIN2是一个质膜蛋白。2.利用植物双元表达载体pCAMBIA1390-ubi,获得了单拷贝插入、未破坏功能基因且OsPIN2基因表达量显著上调的两个超表达株系O1和O2。表型分析发现：OSPIN2基因的过量表达导致水稻分蘖角度增大两倍、分蘖数目平均增多30%和株高变矮。此外,01和02的穗长和单稳重减小,种子的长度、宽度及千粒重减小,结实率不变。3.利用IAA的HPLC直接测定法与DR5::GUS二次转基因染色观察法相结合,研究结果显示超表达植株倒一叶叶片及叶鞘、倒二叶叶片及叶鞘的生长素浓度降低(超表达材料倒一、倒二叶叶片的生长素浓度是野生型的11%-35%；倒一叶叶鞘的生长素浓度与WT没有显著差异,但倒二叶叶鞘的低于WT,是野生型的380%-53%)；根茎结合处及根系的三个不同区段生长素浓度提高(在根茎结合处比WT增长了65%o-128%)。利用生长素极性运输抑制剂NPA处理WT及O1、O2,发现超表达植株对NPA的抗性增强。这些结果说明,OsPIN2过量表达后改变了水稻体内生长素的运输模式和分布方式。4.利用半定量RT-PCR分析水稻分蘖角度相关基因OSLazyl和OsTACl,以及另一个可能调控分蘖角度的生长素极性输出蛋白基因OsPINlb在WT、O1和02根系及叶片中的表达量,发现在超表达材料的叶片中OSLazyl基因表达量明显下调,而其它两个基因的表达没有明显变化,由此我们得出实验结论：OSPIN2超表达可能通过调节控制水稻分蘖角度基因OSLazyl的表达量来调控水稻分蘖角度。5.正常供磷条件下,水稻OsPIN2超表达材料的不定根数目减少(35天苗龄),侧根密度降低,总根长减小,根毛密度增加。缺磷处理可以诱导水稻根长(最长不定根长)、不定根数目和平均侧根长增加,但是当生长素极性运输抑制剂NPA存在时这些根系特征参数的变化幅度均显著减小。利用NPA结合不同磷浓度处理WT、01、02的实验,我们证明了生长素极性运输参与单子叶植物水稻缺磷根构型的改变。6.水稻OsPIN2超表达材料除了地上部及根系的形态特征发生改变,其磷素营养的吸收转运和分配也受到了影响。通过对正常供磷和缺磷水培条件下WT、01、02根系及地上部总磷浓度的测定及水稻磷酸盐转运蛋白Pht1家族基因表达丰度的分析,我们推测超表达材料由于根毛的大量发生导致根系中总的磷浓度提高。我们还研究了生长素对水稻生长发育后期磷素营养转运分配的影响。通过测定灌浆前期与成熟期WT、01、02营养器官和生殖器官总的氮磷浓度,我们发现OsPIN2超表达延迟了水稻体内的磷素由营养器官向生殖器官的转移(而没有影响到氮素的转移),但并没影响到最终种子中的磷素含量。综上所述,生长素转运蛋白基因OsPIN2超表达不仅能够影响水稻的株型(株高、分蘖角度、分蘖数目等)和根系的生长发育,而且还能够调节水稻磷素营养的吸收转运和分配,这些研究结果为挖掘具有相对理想株型、发展磷高效水稻新品种的育种技术提供一些研究线索。