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更多>該論文登上《細(xì)胞》封面。受訪者供圖
記者 李晨 ■黃辛
磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一。植物能根據(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,這被稱(chēng)為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”。但“自我調(diào)節(jié)”的分子機(jī)制是什么,一直困擾著科學(xué)家。
10月12日,中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》上發(fā)表封面論文稱(chēng),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)和共生磷營(yíng)養(yǎng)吸收途徑(共生途徑)均受植物的磷信號(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)”這一科學(xué)問(wèn)題。
論文審稿人認(rèn)為,這項(xiàng)研究結(jié)果具有原創(chuàng)性且非常有趣,是菌根共生研究領(lǐng)域的一次重大突破。
古老共生為植物提供七成磷
磷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實(shí)現(xiàn)增產(chǎn),但這樣做也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。
王二濤介紹,植物主要通過(guò)兩種途徑獲取營(yíng)養(yǎng)。
一是植物根系直接從土壤吸收營(yíng)養(yǎng),即根途徑。這時(shí),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。二是植物通過(guò)與菌根真菌共生,從外界環(huán)境中獲取營(yíng)養(yǎng),即共生途徑。
“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。”王二濤說(shuō),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。
相關(guān)研究表明,植物和叢枝菌根真菌建立共生關(guān)系,與植物由水生向陸生進(jìn)化發(fā)生在同一時(shí)期。這既是自然界中最古老的共生關(guān)系,也是植物適應(yīng)陸地環(huán)境關(guān)鍵事件之一。
“自我調(diào)節(jié)”機(jī)制之謎
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。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)磷酸鹽饑餓響應(yīng)因子(PHR)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PHR之間的互作,抑制植物的低磷響應(yīng)。
那么,這一核心轉(zhuǎn)錄因子在間接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑中會(huì)不會(huì)也扮演著一定角色?
一個(gè)開(kāi)關(guān)“管”兩種途徑
王二濤告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,他們?cè)谶@項(xiàng)研究中,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),結(jié)果鑒定到多個(gè)參與調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子。其中,PHR處于該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),PHR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)PHR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。
論文審稿人指出:“作者鑒定了一個(gè)整合266個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的菌根共生調(diào)控網(wǎng)絡(luò),其中PHR處于網(wǎng)絡(luò)的核心。該成果是菌根共生領(lǐng)域一次巨大的概念突破,為該領(lǐng)域開(kāi)辟了新的研究方向?!?/p>
論文審稿人認(rèn)為,該研究提供了控制菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全面視圖,揭示了植物磷信號(hào)的關(guān)鍵組分PHR2-SPX1在菌根共生不同階段的核心作用。
王二濤表示,通過(guò)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)展提供新方案。
專(zhuān)家認(rèn)為,解析主要作物水稻中菌根共生調(diào)控機(jī)制,可產(chǎn)生重要的社會(huì)影響。希望這項(xiàng)研究能夠促進(jìn)根瘤共生領(lǐng)域開(kāi)展類(lèi)似的研究,揭示氮信號(hào)和根瘤共生的關(guān)系。
[ 責(zé)編:武玥彤]標(biāo)簽: 自我調(diào)節(jié) 一石二鳥(niǎo) 植物 吸收
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