Transgenic expression of phytase and acid phosphatase genes in alfalfa (Medicago sativa) leads to improved phosphate uptake in natural soils

Resumo

A alfafa (Medicago sativa L.) é uma das culturas mais cultivadas nos EUA. A deficiência de fosfato (P) é comum em áreas onde as culturas forrageiras são cultivadas. Para melhorar o uso de fosfato orgânico pela alfafa, dois genes de Medicago truncatula, fitase (MtPHY1) e fosfatase ácida púrpura (MtPAP1), foram superexpressos na alfafa sob o controle do promotor constitutivo CaMV35S ou do promotor MtPT1 específico da raiz. As análises da atividade enzimática da raiz revelaram que, embora ambos os genes levem a níveis semelhantes de atividades de fosfatase ácida, a superexpressão do gene MtPHY1 geralmente resulta em um nível mais alto de atividade de fitase do que a superexpressão do gene MtPAP1. O promotor MtPT1 foi mais eficaz do que o promotor CaMV35S na regulação da expressão gênica e da secreção extracelular em condições de deficiência de P. A medição do desempenho do crescimento das linhagens transgênicas comprovou ainda que a melhor combinação de gene-promotor é o gene MtPHY1 impulsionado pelo promotor MtPT1. Em comparação com o controle, as plantas com altos níveis de expressão do transgene apresentaram melhor crescimento. A biomassa de várias linhas transgênicas foi três vezes maior do que a do controle quando as plantas foram cultivadas em areia com fitato como única fonte de P. Quando as plantas foram cultivadas em solos naturais sem suplemento adicional de P, as linhas transgênicas de melhor desempenho produziram o dobro da quantidade de biomassa após 12 semanas (dois cortes) de crescimento. Os efeitos do transgene foram mais evidentes em solos com pH mais baixo e reservas naturais de P mais baixas do que em solos com pH neutro e armazenamento de P relativamente mais alto. A concentração total de P nos tecidos das folhas das linhas transgênicas de alta expressão foi significativamente maior do que a do controle. Os transgênicos têm grande potencial para melhorar a aquisição de P pelas plantas e a produção de biomassa em solos agrícolas com deficiência de P.

Abstract

Alfalfa (Medicago sativa L.) is one of the most widely grown crops in the USA. Phosphate (P) deficiency is common in areas where forage crops are grown. To improve the use of organic phosphate by alfalfa, two Medicago truncatula genes, phytase (MtPHY1) and purple acid phosphatase (MtPAP1), were overexpressed in alfalfa under the control of the constitutive CaMV35S promoter or the root-specific MtPT1 promoter. Root enzyme activity analyses revealed that although both genes lead to similar levels of acid phosphatase activities, overexpression of the MtPHY1 gene usually results in a higher level of phytase activity than overexpression of the MtPAP1 gene. The MtPT1 promoter was more effective than the CaMV35S promoter in regulating gene expression and extracellular secretion under P-deficient conditions. Measurement of growth performance of the transgenic lines further proved that the best promoter–gene combination is the MtPHY1 gene driven by the MtPT1 promoter. Compared to the control, the plants with high levels of transgene expression showed improved growth. The biomass of several transgenic lines was three times that of the control when plants were grown in sand supplied with phytate as the sole P source. When the plants were grown in natural soils without additional P supplement, the best performing transgenic lines produced double the amount of biomass after 12 weeks (two cuts) of growth. Transgene effects were more obvious in soil with lower pH and lower natural P reserves than in soil with neutral pH and relatively higher P storage. The total P concentration in leaf tissues of the high-expressing transgenic lines was significantly higher than that of the control. The transgenes have great potential for improving plant P acquisition and biomass yield in P-deficient agricultural soils.