【人民日报】水稻有望少施磷肥！我科学家率先破译丛枝菌根共生“自我调节”机制
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2021-10-13 | 【】 【】
10月12日，国际顶尖学术期刊《细胞》的封面充满了浓郁的中国风，以磷元素的符号p为主角、如青花瓷图案般的画面格外抢眼。这篇题为“磷信号中枢网络调控菌根共生”的封面文章，出自中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队，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）和菌根共生磷营养吸收途径（共生途径）均是受到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”这一困扰领域的重要科学问题。这也是《细胞》创刊以来首次刊发丛枝菌根共生领域的研究成果。
众所周知，磷是植物生长发育必需的三大营养元素之一，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，主要依靠大量施加氮肥和磷肥来实现增产，但同时也造成了严重的环境污染。
植物主要通过两种途径获取营养：第一种是植物根系直接从土壤吸收营养，称为直接营养吸收途径。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。第二种是植物通过与菌根真菌共生从外界环境中获取营养，称为间接营养吸收途径。
植物和丛枝菌根真菌建立共生，与植物由水生向陆生进化发生在同一时期，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。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，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。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组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。
过去50多年的研究发现，植物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，研究人员称为菌根共生的“自我调节”，但其调节机制未知。
2001年，西班牙科学家首先发现了phr (phosphate starvation response)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。而植物体的磷元素感受器spx通过与phrs之间的互作，抑制植物的低磷响应，维持植物体内的磷元素稳态。
在过去6年多时间里，王二涛团队以水稻菌根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，从8万多组转录因子-启动子互作中，鉴定到260多个参与调控丛枝菌根共生的转录因子，其中转录因子phrs处于该调控网络的核心。在进一步研究中，他们发现，phrs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。而phr2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。
“在植物对磷元素的吸收的调节这件事情上，phr可谓内外兼修，对内，phr调控磷营养的直接吸收；对外，phr通过p1bs元件调控菌根共生关键基因的表达，调控植物体通过丛枝菌根共生吸收磷营养。”王二涛说。
为了获取粮食的丰收，农业生产往往施加大量的含磷化肥。然而，过量的磷肥带来了水体富营养化等生态污染，是农业生产中亟待解决的重大问题之一。通过提高phr基因的表达，有望达到增加水稻直接吸收磷营养和间接通过丛枝菌根共生磷营养吸收的目的，从而降低农业磷肥的施用，为农业生产的可持续发展提供新的方案。
《细胞》审稿人评审认为，王二涛研究团队的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。该研究提供了控制菌根共生转录调控网络的全面视图，揭示了植物磷信号的关键组分phr2-spx1在菌根共生不同阶段的核心作用。希望这项研究能够促进根瘤共生领域开展类似的研究，来揭示氮信号和根瘤共生的关系。更重要的是，他们通过筛选发现控制植物磷信号的关键转录因子phrs是菌根共生的核心转录因子，并且揭示了许多转录因子在菌根共生中发挥功能。这项研究非常适合《细胞》的广大读者。
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