為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供新方案

磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一。過去50多年的研究發(fā)現(xiàn)，植物會根據(jù)自身的磷營養(yǎng)狀態(tài)進行“自我調(diào)節(jié)”，但其調(diào)節(jié)機制一直未知。

2021年10月12日，中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術(shù)期刊《細胞》發(fā)表封面論文。他們首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)植物不管是通過根途徑還是菌根共生途徑來吸收磷營養(yǎng)，均受到磷響應網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)控，從而回答了這一重要科學問題。

【自然界中最古老的共生關(guān)系】

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)，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)。

叢枝菌根共生是最普遍的一種共生關(guān)系，是植物從環(huán)境中高效獲取營養(yǎng)的重要途徑。叢枝菌根和植物建立共生關(guān)系與植物由水生向陸生進化發(fā)生在同一時期，是自然界中最古老的共生關(guān)系，對植物適應陸地環(huán)境具有重要的促進作用。叢枝菌根真菌提供給宿主植物的磷元素占宿主植物總磷獲取量的70%以上，對于植物磷營養(yǎng)獲取以及自然界碳循環(huán)具有重要的影響。

王二濤研究組2017年發(fā)表在《科學》的研究工作表明，在菌根共生中，宿主植物以脂肪酸的形式為菌根真菌提供碳源，而菌根真菌會幫助宿主植物增加對礦質(zhì)營養(yǎng)元素，尤其是磷元素的獲取。

【我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題】

在本次研究中，研究人員以水稻菌根相關(guān)基因的啟動子調(diào)控區(qū)域為誘餌，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)，鑒定到多個調(diào)控叢枝菌根共生的新轉(zhuǎn)錄因子，其中轉(zhuǎn)錄因子PHRs處于該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心位置。

有意思的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)缺失磷元素感受器后，植物菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”失靈。

為了獲取糧食的豐收，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施加了大量的含磷化肥，嚴重污染了生態(tài)環(huán)境，這是我國農(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，有望達到增加水稻直接吸收磷營養(yǎng)和間接通過叢枝菌根共生吸收磷營養(yǎng)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。

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