中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)植物直接磷營養(yǎng)吸收途徑和共生磷營養(yǎng)吸收途徑均是受到植物的磷信號網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)控，回答了菌根共生領(lǐng)域“自我調(diào)節(jié)”這一困擾領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。10月12日，相關(guān)成果在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表。

磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一，是植物體重要的組成成分，廣泛參與植物體內(nèi)眾多酶促反應(yīng)及細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。

“植物主要通過兩種途徑獲取營養(yǎng)：第一種是植物根系直接從土壤吸收營養(yǎng)，稱為直接營養(yǎng)吸收途徑；植物在感知土壤中的氮、磷等營養(yǎng)元素濃度后，通過根的外表皮層和根毛細(xì)胞直接從土壤中吸收營養(yǎng)元素。第二種是植物通過與菌根真菌共生從外界環(huán)境中獲取營養(yǎng)，稱為間接營養(yǎng)吸收途徑?！蓖醵蛴浾呓榻B，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥來實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

那么，有沒有一種辦法既讓植物生長獲取充分的磷元素，又能減少磷肥的使用量呢？之前的研究發(fā)現(xiàn)，PHR (Phosphate Starvation Response)是調(diào)控植物根途徑磷元素吸收的核心轉(zhuǎn)錄因子。在低磷條件下，PHR能夠結(jié)合在低磷響應(yīng)基因啟動(dòng)子的P1BS元件上，激活低磷響應(yīng)基因的表達(dá)，增加植物磷元素的吸收。植物體的磷元素感受器SPX通過與轉(zhuǎn)錄因子PHRs之間的互作，抑制植物的低磷響應(yīng)。

在此次研究中，王二濤研究團(tuán)隊(duì)以水稻菌根共生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域?yàn)檎T餌，篩選水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫，首次繪制了叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定到多個(gè)參與調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子，其中轉(zhuǎn)錄因子PHRs處于該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PHRs通過P1BS元件直接調(diào)控菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)，從而正向調(diào)控水稻-叢枝菌根共生。該研究還發(fā)現(xiàn)，低磷響應(yīng)因子 PHR2過量表達(dá)植株和磷感受器SPX的突變體都表現(xiàn)出對高磷處理抑制菌根共生的不敏感性，表明高磷是通過低磷響應(yīng)因子和磷感受器PHR-SPX模塊抑制菌根共生。

“我們的研究成果表明，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。”王二濤說。

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