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磷素(Phosphorus，P)是植物生长必需的营养元素，在农业生产中也必不可少。外部环境磷养分供应不足会严重影响作物生长，从而导致减产。虽然土壤中磷含量很高，但土壤中磷的不易移动性和低效性使得磷成为植物生长的限制因素，导致农业生产中不得不大量施用磷肥，这不但增加了生产成本，还造成了环境污染。因此培育磷高效的农作物才是保持农业可续发展的重要途径。 PHR1(Phosphate Starvation Response1)在植物磷信号调控网络中作为中心调控因子，通过结合P1BS基序(PHR1 binding site，P1BS)调控植物磷信号与磷平衡。PHR1在不同物种中如何调控磷信号与平衡已有大量研究，但水稻中PHR1家族多基因在磷信号网络中如何协同调控仍不清楚。因此本论文旨在深入探讨水稻PHR1家族基因对磷信号和磷平衡的协同调控机制。 通过同源比对分析，本研究在水稻中分析了PHR1的同源基因OsPHR3，其属于MYB-CC家族，位于水稻第2号染色体(2079149-2075496)，cDNA全长1404bp，编码468个氨基酸，由7个外显子和6个内含子组成。同时，本研究购买获得了OsPHR3的Tos-17插入突变体(NE3009_0_102_1A)，命名为phr3。 利用qRT-PCR和GUS组织切片技术，本研究分析了水稻中三个磷信号调控因子OsPHR1，OsPHR2与OsPHR3(简写为PHR1-3)在不同时期的组织表达特性。qRT-PCR分析表明PHR1-3在水稻整个生长期均表达;叶中OsPHR1和OsPHR2在不同时期的表达差异并不显著;OsPHR3的表达在抽穗期显著诱导。GUS叶片横切表明OsPHR1主要位于维管组织，OsPHR3主要位于维管组织与叶肉细胞，而OsPHR2的表达部位覆盖了OsPHR1和OsPHR3的所有表达部位。 由GUS组织切片可知，PHR1-3可能存在功能冗余。因此，为了进一步分析PHR1-3的功能，本研究发展了PHR1-3的相关突变体;单突:phr1、phr2、phr3;双突:phr1/2、phr1/3和phr2/3三突:phr1/2/3。 qRT-PCR分析结果可知，phr1、phr2与 phr3突变后对OsPHR2下游磷饥饿响应基因OsIPS1、OsPT和OsmiR827都有不同程度抑制。正常供磷(200μM Pi)条件下，phr2、phr1/2、phr2/3及phr1/2/3生长受到不同程度抑制;phr1、phr2、phr3的有效磷含量与野生型相比无显著差异，而phr1/2/3的有效磷含量显著降低。缺磷(0μM Pi)条件下，突变体phr1、phr2、phr3、phr1/2、phr1/3、phr2/3和phr1/2/3的根毛伸长与野生型相比受到抑制。这些结果说明PHR1-3三个基因存在功能冗余及加性。通过对PHR1-3相关突变体进行基因芯片分析发现，在phr1突变体中，有78基因被诱导，158个基因受到抑制;在phr3突变体中，有169个基因被诱导，155个基因受到抑制。但在三突phr12/3中，有2115个基因被诱导，2224个基因受到抑制。而且，在phr1与phr3突变体中，均受到诱导的基因只有33个，受到抑制的有32个;由此说明:OsPHR1，OsPHR2与OsPHR3在下游基因调控方面存在显著的不同。 另外，本研究通过PHR1-3的过表达转基因株系分析了其对水稻磷信号与磷平衡的影响。正常供磷(200μM Pi)条件下OsPHR3的增强表达能引起地上部有效磷增加，有效磷含量高于OsHR1-Ov1，但低于OsPHR2-Ov-1。而在低磷(10μM Pi)培养时叶片有效磷含量与野生型无显著差异，说明OsPHR3参与水稻的磷饥饿响应及磷平衡。正常供磷条件下，OsPHR1、OsPHR2及OsPHR3的增强表达能够诱导缺磷信号，促进根毛的伸长;其中OsPHR2根毛的诱导程度比OsPHR1和OsPHR3显著，这一结果表明三个PHR蛋白的转录能力存在差异。溶液培养发现，在正常磷(200μM Pi)或低磷(10μM Pi)条件下，OsPHR3过表达并不会影响水稻的生长，田间实验分析结果可知，在三个磷梯度实验中OsPHR3过表达株系的生物量及产量均比野生型要高，暗示OsPHR3对于培育耐低磷水稻新品种可能是一个重要候选基因。为此，本研究利用OsPHR3对长江中下游的高产品种秀水134(XS134)进行了遗传改良，结果同样表明OsPHR3改良株系具有耐低磷的特性。 为了分析OsPHR3过表达株系耐低磷的分子机制，本研究分析了PHR1-3对PHR1识别元件的亲和力差异。利用酵母单杂(Yeast-one-hybridization)和凝胶阻滞分析(Electrophoretic mobility shift assay，EMSA)技术，发现三个PHR对不同P1BS的亲和力存在差异，其中OsPHR2对P1BS亲和力最高，OsPHR1次之，OsPHR3最弱。PHR1-3的亲和力竞争实验同样说明OsPHR3对识别基序P1BS的亲和力是最弱的。 综上所述，本研究揭示了三个转录因子OsPHR1、OsPHR2、OsPHR3对水稻磷信号和磷平衡的协同调控过程。同时发现OsPHR3的增强表达能够提高水稻的耐低磷特性，这为耐低磷作物的遗传改良提供了新的途径。