【澎湃新聞】如何讓水稻更好吸收營(yíng)養(yǎng)？這項(xiàng)研究成果揭示菌根共生調(diào)節(jié)機(jī)制
文章來(lái)源：分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時(shí)間：2021-10-12 | 【打印】 【關(guān)閉】
水稻和真菌，看似不相干的生物卻在自然界實(shí)現(xiàn)共生，如今中國(guó)科學(xué)家更是破解了共生機(jī)制背后的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，可能讓這一機(jī)制幫助水稻更好地吸收營(yíng)養(yǎng)。
磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的三大營(yíng)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。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(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。
中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王二濤介紹，植物主要通過(guò)兩種途徑獲取營(yíng)養(yǎng)：第一種是植物根系直接從土壤吸收營(yíng)養(yǎng)，稱(chēng)為直接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑；植物在感知土壤中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度后，通過(guò)根的外表皮層和根毛細(xì)胞直接從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素。第二種則是植物通過(guò)與菌根真菌共生從外界環(huán)境中獲取營(yíng)養(yǎng)，稱(chēng)為間接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑。
植物和叢枝菌根真菌建立共生與植物由水生向陸生進(jìn)化發(fā)生在同一時(shí)期，是自然界中最古老的共生關(guān)系，是植物適應(yīng)陸地環(huán)境關(guān)鍵事件之一。叢枝菌根共生是最普遍的一種共生，是植物從環(huán)境中高效獲取營(yíng)養(yǎng)的重要途徑，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。
中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組2017年發(fā)表在《科學(xué)》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(huì)幫助宿主植物增加對(duì)磷等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。
盡管過(guò)去50多年的研究發(fā)現(xiàn)，植物根據(jù)自身的磷營(yíng)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(chēng)為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”，但其調(diào)節(jié)機(jī)制依舊未知。
2021年10月12日，分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表題為“A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis（磷信號(hào)中樞網(wǎng)絡(luò)調(diào)控菌根共生）”的封面論文。該研究首次繪制了水稻-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(yíng)養(yǎng)吸收途徑（根途徑）和菌根共生磷營(yíng)養(yǎng)吸收途徑（共生途徑）均是受到植物的磷信號(hào)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(wèn)題。
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(guò)與PHRs之間的互作，抑制植物的低磷響應(yīng)。
在本研究中，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(kù)，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。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PHRs通過(guò)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)PHR2過(guò)量表達(dá)植株和磷感受器SPX的突變體都表現(xiàn)出對(duì)高磷處理抑制菌根共生的不敏感性，表明高磷是通過(guò)PHR-SPX模塊抑制菌根共生。
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(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問(wèn)題之一。通過(guò)育種提高PHR基因的表達(dá)，有望達(dá)到增加水稻直接吸收磷營(yíng)養(yǎng)和間接通過(guò)叢枝菌根共生磷營(yíng)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。
