自我调节|植物“自我调节”磷吸收也会“一石二鸟”
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该论文登上《细胞》封面 。受访者供图
采访人员 李晨 ■黄辛
磷是植物生长发育必需的三大营养元素之一 。植物能根据自身的磷营养状态调控其与丛枝菌根真菌之间的共生 ， 这被称为菌根共生的“自我调节” 。但“自我调节”的分子机制是什么 ， 一直困扰着科学家 。
10月12日 ， 中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队在《细胞》上发表封面论文称 ， 首次绘制了水稻—丛枝菌根共生的转录调控网络 ， 发现植物直接磷营养吸收途径（根途径）和共生磷营养吸收途径（共生途径）均受植物的磷信号网络统一调控 ， 回答了菌根共生领域“自我调节”这一科学问题 。
论文审稿人认为 ， 这项研究结果具有原创性且非常有趣 ， 是菌根共生研究领域的一次重大突破 。
古老共生为植物提供七成磷
磷是植物体重要的组成成分 ， 广泛参与植物体内众多酶促反应及细胞信号转导过程 。在农业生产中 ， 为提高农作物产量 ， 目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥实现增产 ， 但这样做也造成了严重的环境污染 。
王二涛介绍 ， 植物主要通过两种途径获取营养 。
一是植物根系直接从土壤吸收营养 ， 即根途径 。这时 ， 植物在感知土壤中的氮、磷等营养元素浓度后 ， 通过根的外表皮层和根毛细胞直接从土壤中吸收营养元素 。二是植物通过与菌根真菌共生 ， 从外界环境中获取营养 ， 即共生途径 。
“丛枝菌根真菌提供给宿主植物的磷元素占宿主植物总磷获取量的70%以上 。”王二涛说 ， 丛枝菌根共生是最普遍的一种共生 ， 是植物从环境中高效获取营养的重要途径 。
相关研究表明 ， 植物和丛枝菌根真菌建立共生关系 ， 与植物由水生向陆生进化发生在同一时期 。这既是自然界中最古老的共生关系 ， 也是植物适应陆地环境关键事件之一 。
“自我调节”机制之谜
【自我调节|植物“自我调节”磷吸收也会“一石二鸟”】王二涛研究组2017年发表在《科学》的研究工作表明 ， 在菌根共生中 ， 宿主植物以脂肪酸的形式为菌根真菌提供碳源 ， 而菌根真菌会帮助宿主植物增加对磷等营养元素的吸收 。
科学家发现磷酸盐饥饿响应因子（PHR）是调控植物根途径磷元素吸收的核心转录因子 。在低磷条件下 ， PHR能够结合在低磷响应基因启动子的P1BS元件上 ， 激活低磷响应基因的表达 ， 增加植物磷元素的吸收 。植物体的磷元素感受器SPX通过与PHR之间的互作 ， 抑制植物的低磷响应 。
那么 ， 这一核心转录因子在间接营养吸收途径中会不会也扮演着一定角色？
一个开关“管”两种途径
王二涛告诉《中国科学报》 ， 他们在这项研究中 ， 以水稻菌根共生相关基因的转录调控区域为诱饵 ， 筛选水稻转录因子文库 ， 首次绘制了丛枝菌根共生的转录调控网络 ， 结果鉴定到多个参与调控丛枝菌根共生的转录因子 。其中 ， PHR处于该调控网络的核心 。
进一步研究发现 ， PHR通过P1BS元件直接调控菌根共生相关基因的表达 ， 从而正向调控水稻—丛枝菌根共生 。该研究还发现PHR过量表达植株和磷感受器SPX的突变体都表现出对高磷处理抑制菌根共生的不敏感性 ， 表明高磷是通过PHR-SPX模块抑制菌根共生 。
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