2021年10月12日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表題為“A Phosphate Starvation Response (PHR)-centered network regulates mycorrhizal symbiosis”的封面論文，該研究首次揭示了植物磷信號網(wǎng)絡(luò)控制菌根共生的分子機(jī)制。

　　磷元素是植物體重要的組成成分,參與植物體內(nèi)眾多酶促反應(yīng)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。磷酸鹽是植物從土壤中獲取磷元素的主要形式，然而磷元素主要以有機(jī)磷或難溶性鹽的形式存在于土壤中，不利于植物吸收。多數(shù)植物除了通過根系直接從土壤中吸收磷元素（根途徑）之外，還演化出與叢枝菌根真菌建立共生關(guān)系間接從環(huán)境中獲取磷元素（共生途徑）。

　　菌根共生是自然界中普遍存在的一種共生關(guān)系：宿主植物以脂肪酸的形式為菌根真菌提供碳源，用于其生長和繁殖（Jiang et al., Science 2017）；菌根真菌則增加宿主植物對礦質(zhì)營養(yǎng)元素，尤其是磷元素的獲取（Sanders et al, Nature 1971; Wang et al., Molecular Plant 2017）。過去50多年的研究發(fā)現(xiàn)：植物根據(jù)磷營養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控其與叢枝菌根真菌之間的共生，研究人員稱之為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”（“self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis）,但其機(jī)制未知。

　　研究以水稻中菌根共生相關(guān)基因的啟動(dòng)子為誘餌，進(jìn)行水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫篩選，首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并驗(yàn)證了多個(gè)調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子。令人意外的是，磷響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子OsPHR1/2/3處于菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心位置。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PHRs通過結(jié)合P1BS順式作用元件激活菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)，正向調(diào)控叢枝菌根共生。Osphr1/2/3三突變體中，菌根真菌不能有效定殖水稻根部皮層細(xì)胞，表明PHRs是菌根共生關(guān)鍵調(diào)控因子。

　　SPX是磷的感受器，通過蛋白互作抑制PHRs結(jié)合到目的基因的啟動(dòng)子上，抑制低磷響應(yīng)基因的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，水稻中的SPX1能夠抑制OsPHR2激活菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)。PHR過量表達(dá)植株和SPX缺失突變體的菌根共生對高磷處理不敏感，表明高磷通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。因此，該研究闡明了菌根共生領(lǐng)域植物“自我調(diào)節(jié)”這一困擾領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。

　　為了獲取糧食的豐收，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施加大量的含磷化肥，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。通過提高PHR基因的表達(dá)，有望達(dá)到增加水稻直接吸收磷營養(yǎng)和間接通過叢枝菌根共生磷營養(yǎng)吸收的目的，降低農(nóng)業(yè)磷肥的施用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新的方案。

　　分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后石進(jìn)彩為第一作者，王二濤研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030

　　水稻-叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

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