擬南芥和小麥中磷的利用機制研究進(jìn)展

蘇志芳 王海偉 郝水源

（河套學(xué)院農(nóng)學(xué)系，內(nèi)蒙古 臨河 015000）

磷（phosphorus，P）是植物生長和生產(chǎn)的必需常量營養(yǎng)素。 P缺乏在全球范圍農(nóng)作物中普遍存在。據(jù)估計，世界上可耕地面積的30%～40%的作物產(chǎn)量受到無機磷（inorganic phosphorus，Pi）生物利用度的限制。植物對Pi的可用性低有許多原因，例如Pi（HPO42-）與土壤陽離子如鋅（Zn2+）或鐵（Fe2+）形成不溶性復(fù)合物[1-3]。此外，Pi儲量不斷減少是全球需要面臨的問題。 Lott,J（2011）和 Walan,P（2014）等對 14年來收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析顯示，全球磷肥的使用量大約以357,000t/年的速度增長 （即每年增加2.4%）[4,5]。同時，P在全球范圍內(nèi)分布也并不均勻，而且全球P儲備并不是均勻分布的。國內(nèi)外專家們普遍認(rèn)為，世界范圍內(nèi)的農(nóng)作物正面臨P危機。總之，這些問題表明在未來幾年內(nèi)，提高Pi的可用性可能比提高世界糧食安全更值得研究。研究植物的Pi運輸和調(diào)節(jié)機制將對提高P吸收效率和作物產(chǎn)量有重大意義。因此，通過了解作物Pi的吸收利用機制繼而提高Pi的利用率是目前很多研究人員主要解決的問題。

植物根部吸收的大約75%的Pi能被組織利用，并且在種子中以植酸（Phytic acid，PA）的形式儲存[6]。雖然施加磷肥能增加小麥等谷類作物的產(chǎn)量，但磷肥使用粗放導(dǎo)致全球約37%的小麥地區(qū)產(chǎn)量停滯[7]。解決這一問題需要更好地了解作物如何調(diào)節(jié)P穩(wěn)態(tài)。在過去的幾十年中，人們主要研究了擬南芥中P轉(zhuǎn)運和分布的分子調(diào)控機制。然而，對小麥等重要的農(nóng)作物的研究缺少突破性進(jìn)展，小麥?zhǔn)侨祟愂澄镏锌防锖偷鞍踪|(zhì)的主要來源。本文通過介紹近年來得到的擬南芥中Pi的利用機制研究，結(jié)合小麥中Pi運輸?shù)难芯康淖钚逻M(jìn)展。對調(diào)節(jié)Pi運輸及其在谷物中積累的分子機制進(jìn)行綜合介紹。

1 擬南芥和小麥中磷酸鹽的吸收和轉(zhuǎn)運

根系吸收Pi后，調(diào)節(jié)因子和轉(zhuǎn)運蛋白通過上調(diào)P穩(wěn)態(tài)增加Pi的利用能力，在小麥中已經(jīng)鑒定出許多Pi轉(zhuǎn)運蛋白，然而，這些轉(zhuǎn)運蛋白的功能最初來自于擬南芥的研究結(jié)果。在擬南芥中，Pi轉(zhuǎn)運蛋白（PHT）的基因家族通過其亞細(xì)胞定位和功能特性分為五個組（PHT1、PHT2、PHT3、PHT4 和 PHT5）。 其中PHT1亞家族的質(zhì)膜結(jié)合蛋白主要負(fù)責(zé)擬南芥中的Pi攝取[8]。而PHT2蛋白定位于葉綠體中，PHT3/MPT蛋白主要是線粒體膜轉(zhuǎn)運蛋白，PHT4轉(zhuǎn)運蛋白位于高爾基體。PHT5/VPT/SPX-MFS蛋白位于液泡[9]。Pi也在根細(xì)胞外轉(zhuǎn)運到不同的植物器官并分配。磷酸鹽1（phosphorous salts1，PHO1）基因家族含有 11 個 Pi輸出蛋白，主要參與Pi從根到芽的轉(zhuǎn)移[10,11]。Shin,H（2004）和 Stefanovic,A（2007）發(fā)現(xiàn)，PHT1 和 PHO1部分亞基的突變導(dǎo)致擬南芥中Pi的積累減少[12,13]，證明了這些Pi轉(zhuǎn)運蛋白在Pi吸收和Pi轉(zhuǎn)運到芽過程中的重要性。小麥Pi轉(zhuǎn)運蛋白與擬南芥Pi轉(zhuǎn)運蛋白的基因組序列相似[14]可以通過在擬南芥中評估其遺傳功能或通過與Pi轉(zhuǎn)運中缺陷的酵母突變體互補來驗證和鑒定小麥Pi轉(zhuǎn)運蛋白候選物[15,16]。

小麥基因組含有很多TaPHT成員，可分為四個亞家族：PHT1 （TaPHT1.1～1.13），PHT2（TaPHT2.1），PHT3（TaPHT3.1～3.3）和 PHT4（TaPHT4.1～4.6）。 眾多研究表明他們的轉(zhuǎn)錄本在Pi限制的根和芽中表達(dá)增加。小麥基因組中TaPHT1成員復(fù)雜，Davies,T等（2002）同時進(jìn)行了表征兩種小麥基因型（KN9204和SJZ8）中參與P攝取的特定成員的作用的實驗。在不同的Pi條件下，在不同的小麥品種中觀察到高親和力TaPHTs的差異表達(dá)[17]。在田間條件下施加不同比例的P后，TaPHT1.1,1.2,1.9和1.10在開花和莖伸長時P的攝取呈正相關(guān)[18]。在Pi缺乏條件下，PHT1成員TaPT2體現(xiàn)出了高親和力。Guo,C等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，TaPHT2.1的下調(diào)能使Pi積累顯著降低，表明與其他PHT相關(guān)，表明細(xì)胞內(nèi)Pi轉(zhuǎn)運機增強對植物Pi攝取效率產(chǎn)生影響。與已知擬南芥的數(shù)據(jù)相比，小麥Pi轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控還有待更深入的研究。還發(fā)現(xiàn)除了其在Pi攝取中的作用外，TaPHT2.1還承擔(dān)著從胞質(zhì)到葉綠體的P信號的傳導(dǎo)的作用[19]。是否其他Pi轉(zhuǎn)運蛋白也有類似功能還有待研究，小麥中的任何Pi轉(zhuǎn)運蛋白是否可以發(fā)揮額外的轉(zhuǎn)錄作用也需要深入研究，具有雙重營養(yǎng)轉(zhuǎn)運功能的膜蛋白，如PHO1或氮轉(zhuǎn)運蛋白NRT1已經(jīng)被確認(rèn)[11]。除了PHT2成員，報告顯示TaPHT3的和在Pi耗盡的根和芽下的四個轉(zhuǎn)錄本豐度體現(xiàn)出差異表達(dá)。此外，最近發(fā)現(xiàn)在水培和田間生長的植物組織中，小麥PHT1亞家族基因的表達(dá)譜與順式作用啟動子元件的存在相關(guān)[21]。

2 擬南芥和小麥中磷酸鹽敏感信號的傳導(dǎo)

植物如何感知和傳導(dǎo)缺磷信號是一個研究熱點。在擬南芥中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Pi的饑餓信號傳導(dǎo)途徑SPX1-PHR1-miR399-PHO2-PHT1/PHO1。Misson,J等（2004）發(fā)現(xiàn)編碼SPX蛋白的關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄在P缺乏條件下上調(diào)[22]。SPX1在Pi存在下與轉(zhuǎn)錄因子PHR1相互作用并在Pi缺乏下解離。PHR1調(diào)節(jié)許多Pi相關(guān)基因，例如最終靶向磷酸鹽2（PHO2）轉(zhuǎn)錄物的miRNA399。 PHO2蛋白的降低導(dǎo)致PHT1和PHO1蛋白的增加，從而提高了植物吸收Pi的能力，并將Pi轉(zhuǎn)移到枝條中[23]。值得注意的是，這種信號通路的正常功能需要許多其他基因的貢獻(xiàn)，例如SUMO E3連接酶SIZ1，磷酸轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運因子1（PHF1），和氮限制適應(yīng)（NLA）。SIZ1通過SUMO化參與PHR1的調(diào)節(jié)。NLA在質(zhì)膜上指導(dǎo)PHT1s的降解[24]。將磷轉(zhuǎn)運蛋白運輸?shù)劫|(zhì)膜需要PHF1[25]。這是植物Pi吸收能力的微調(diào)過程。

在關(guān)于小麥的研究中，Aziz,T等（2014）在Pi缺乏條件下，對中國80-55（P-高效品種）和Machete（低效品種）兩個品種的根和芽中的Pi分配模式的基因的轉(zhuǎn)錄譜進(jìn)行分析[26]。結(jié)果顯示不同的器官通過調(diào)節(jié)Pi的分配來適應(yīng)在有限的Pi源，以提高磷利用率。Oono,Y.（2013）研究發(fā)現(xiàn)，六倍體小麥的磷饑餓信號參與的基因很少[27]，例如擬南芥轉(zhuǎn)錄因子PHR1的直向同源物，在小麥中調(diào)節(jié)Pi信號傳導(dǎo)和植物生長的功能。在Pi充足和缺乏條件下，TaPHR1-A1同源物的過表達(dá)適度上調(diào)整株植物中TaPHR1的表達(dá)水平，導(dǎo)致葉Pi濃度適度增加，從而避免產(chǎn)生毒性。通過增加根尖數(shù)，側(cè)根長度和TaPHTs表達(dá) （根中的TaPHT1.2和芽中的TaPHT1.6）增加了Pi吸收[28]。還提出了六倍體小麥中有擬南芥PHO2直系同源物的存在[29]。

對來自同源組1（A1，B1和D1）的三個 TaPHO2基因的各突變體對P攝取、分布和植物生長產(chǎn)生不同的影響。Ouyang,X等（2016）人發(fā)現(xiàn)在tapho2-d1突變體中，TaPHO2的總體表達(dá)嚴(yán)重降低，在有限的Pi條件下導(dǎo)致總芽P升高，但生長和產(chǎn)量出現(xiàn)抑制。這與在單子葉植物（例如水稻）和雙子葉植物（例如擬南芥）的PHO2突變體中觀察到的表型類似。但敲除突變植物tapho2-a1后，TaPHO2表達(dá)減少，在足夠和缺乏P條件下，葉片中總P和Pi水平僅有適度增加。與tapho2-d1突變體不同，tapho2-a1突變體表現(xiàn)出增加P積累以及谷物產(chǎn)量的作用。鑒于這些數(shù)據(jù)，已經(jīng)提出TaPHO2-D1參與Pi穩(wěn)態(tài)以維持植物生長而不是簡單的只參與Pi饑餓信號傳導(dǎo)途徑[30]。Pi饑餓信號傳導(dǎo)途徑PHR1-IPS1-miR399-UBC24/PHO2-PHT1/PHO1在許多植物物種中是保守功能性的。如何利用該途徑是改善作物中Pi利用的重要策略。

在Pi缺乏條件下，這些參與Pi應(yīng)激反應(yīng)的分子機制是通過特異性誘導(dǎo)發(fā)生的，而不是在已知改變Pi穩(wěn)態(tài)的其他應(yīng)激模式下誘導(dǎo)的。這些研究表明存在另外調(diào)節(jié)植物中Pi含量的未知基因和途徑。例如，現(xiàn)在已經(jīng)確定，當(dāng)植物受到鋅限制時，植物中的Pi含量會發(fā)生變化。在單一Zn脅迫下，與在P-Zn同時脅迫下生長的植物相比，過量的Pi供應(yīng)導(dǎo)致小麥產(chǎn)量的損失[31]。我們對于在缺鋅期間建立的控制Pi穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)知之甚少。研究Zn/Pi穩(wěn)態(tài)相互作用可能會發(fā)現(xiàn)控制植物Pi穩(wěn)態(tài)的新基因和途徑。將來也許會通過擾亂Zn缺乏信號的傳導(dǎo)從而間接調(diào)節(jié)Pi的利用。

3 種子中的磷酸鹽

種子中營養(yǎng)物質(zhì)的前期積累對種子的活力和萌發(fā)很重要。由于PA被認(rèn)為是一種抗?fàn)I養(yǎng)素，如何增加谷物中的Pi含量同時降低PA已引起人們研究興趣。目前國際上主要研究Pi攝取及其在植物細(xì)胞內(nèi)外運輸機制，但是種子中的Pi運輸卻很少受到關(guān)注。目前對種子特異性PHT作用的了解很少。在種子中，營養(yǎng)物質(zhì)通過各種途徑在不同的發(fā)育階段到達(dá)胚胎。為了保證種子生產(chǎn)和質(zhì)量，需要將營養(yǎng)物從母體種皮轉(zhuǎn)移到胚乳。近期研究發(fā)現(xiàn)，PHO1基因在擬南芥的種皮合點表達(dá)，表明P在發(fā)育種子中從種皮轉(zhuǎn)移到胚胎中的作用[32]。同樣，PHO1突變體擾亂從種皮到胚胎的Pi轉(zhuǎn)移。該觀察和實驗數(shù)據(jù)表明了對種子中Pi運輸進(jìn)行深入研究可能有助于了解調(diào)節(jié)P積累的機制。

在小麥中，成熟谷粒含P占總枝條P的90%以上，其中20%～90%來自于其它組織。PA占總重量的1%～2%。隨著施P量的增加，籽粒中的P和PA濃度均增加。PA濃度的增加大大降低了小麥籽粒中其它營養(yǎng)礦物質(zhì)的生物利用度，如Zn[33]。因此，通過育種或生物技術(shù)方法使谷物中PA減少被認(rèn)為是不錯的研究方案。減少谷物中的PA可以提供雙重增益，減少谷物磷損失和更多的微量營養(yǎng)素保留。低PA作物的產(chǎn)生可以通過靶向PA生物合成基因或轉(zhuǎn)運來實現(xiàn)[22]。通過研究低PA谷物，其它轉(zhuǎn)運蛋白家族的功能也逐漸被發(fā)現(xiàn)。例如，水稻Pi轉(zhuǎn)運蛋白OsPHT1.8的減少降低胚胎和成熟谷粒中PA積累[34]。硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白也涉及谷物PA和P含量調(diào)節(jié)。通過圖位克隆發(fā)現(xiàn)的硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白，稱為OsSULTR3，它們參與了谷物發(fā)育中Pi和PA的構(gòu)成變化[35]。隨后，另一種名為類似SULTR磷分布轉(zhuǎn)運蛋白（SPDT）的硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白家族基因已經(jīng)證明參與了P的維管間的轉(zhuǎn)移，特別是將P從木質(zhì)部轉(zhuǎn)向韌皮部[35]。這些研究表明，節(jié)點定位轉(zhuǎn)運蛋白可能影響谷粒中P的積累。

盡管如此，對小麥總P和PA進(jìn)行的研究很少。目前尚不清楚P向谷物的運輸是直接從韌皮部還是通過木質(zhì)部與根部再循環(huán)而發(fā)生的，以及在不同的P-體系下植物器官之間P的轉(zhuǎn)移程度是多少。在小麥中，只有兩個重要的轉(zhuǎn)基因研究，包括TaPHR1-A1的過表達(dá)和敲除TaPHO2-A1，能夠在低Pi條件下增強的P吸收和谷物產(chǎn)量[30]。有理由推測，操縱這些與Pi相關(guān)的調(diào)節(jié)基因還有待發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)論

目前對小麥如何維持P穩(wěn)態(tài)并調(diào)節(jié)Pi濃度的機制研究甚少。改善小麥Pi營養(yǎng)需要充分了解從營養(yǎng)組織到P利用的分子調(diào)節(jié)機制。需要確定參與不同谷物組織之間的Pi獲取、轉(zhuǎn)運、動員、胚胎發(fā)育的基因。盡管通過經(jīng)典分子方法發(fā)現(xiàn)了一些攝取Pi轉(zhuǎn)運蛋白，但轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)機制仍然不確定。此外，通過系統(tǒng)生物學(xué)工具授權(quán)的組學(xué)方法 （如RNA-seq）的適當(dāng)組合將有助于發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)小麥不同發(fā)育階段的磷積累的調(diào)節(jié)途徑。掌握這些環(huán)節(jié)對于將來培育出能高效利用和調(diào)節(jié)磷的作物品種具有非常重要的意義。據(jù)報道，施用于土壤的磷肥僅有20%～30%被植物利用。剩余的Pi可能會有部分滲入水生生態(tài)系統(tǒng)，引發(fā)富營養(yǎng)化等生態(tài)問題。 因此，過量使用磷肥不僅是不可持續(xù)的做法，而且對生態(tài)也不利。因此，繼續(xù)深入研究Pi營養(yǎng)利用機制無論對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是生態(tài)環(huán)境都是很有必要的。