浙江大學(xué)周艷虹課題組揭示光信號調(diào)控番茄根系和AMF 共生的新機(jī)制

磷是植物生長發(fā)育不可或缺的元素，但土壤中的磷元素多以難溶性形態(tài)或有機(jī)形態(tài)存在，無法被植物直接吸收利用。叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）能夠與植物根系形成共生系統(tǒng)，為宿主植物提供以磷為主的礦質(zhì)元素和水分，同時提高宿主植物的光合速率，增強(qiáng)植物抗逆性。有研究表明，光質(zhì)影響根系和AMF 的共生，但其中的生物學(xué)機(jī)制尚不清楚。

2021 年11月28日，浙江大學(xué)周艷虹教授課題組在New Phytologist在線發(fā)表了題為“Light-dependent activation of HY5 promotes mycorrhizal symbiosis in tomato by systemically regulating strigolactone biosynthesis”的研究論文，報道了紅光通過光受體phyB 激活光信號轉(zhuǎn)錄因子HY5，進(jìn)一步調(diào)控根系獨(dú)腳金內(nèi)酯（SLs）合成基因表達(dá)來促進(jìn)SLs 的合成，從而提高AMF 在番茄根系中的定殖和磷的吸收。

植物在低磷環(huán)境下會分泌SLs，促進(jìn)植物與AMF 的信號交流，促進(jìn)AMF 的菌絲在根系中的定殖。該研究發(fā)現(xiàn)，番茄光敏色素突變體phyB的根系中SLs 含量和SLs 合成基因表達(dá)量受到嚴(yán)重抑制，隨后通過菌根試驗明確發(fā)現(xiàn)，phyB抑制了AMF 在番茄根系的定殖和磷的吸收。突變體phyB與野生型的嫁接試驗結(jié)果表明，番茄地上部phyB 在根系SLs 合成和AMF的定殖中起到主要作用。

HY5 是光敏色素下游的核心光信號調(diào)節(jié)因子，近年來多個研究證實HY5 是一種可移動的長距離信號分子。該研究檢測了不同材料根系中HY5 蛋白豐度，發(fā)現(xiàn)地上部phyB 是抑制根部HY5 蛋白積累的主要調(diào)控因子，利用CRISPR-hy5突變材料進(jìn)行一系列試驗，結(jié)果表明HY5 參與番茄根部SLs 的合成與積累，促進(jìn)AMF 在根系中的定殖以及磷的吸收。嫁接技術(shù)表明，HY5 具備長距離的移動性，同時地上部HY5 對SLs 的合成與積累起主要調(diào)控作用。隨后，EMSA、ChIP 和雙熒光素酶報告基因系統(tǒng)的試驗結(jié)果證明HY5 能夠轉(zhuǎn)錄調(diào)控SLs 的合成基因CCD7、CCD8和MAX1。同時，補(bǔ)光試驗證明紅光能夠促進(jìn)SLs 合成與積累，從而促進(jìn)AMF 的定殖以及AMF 途徑的磷吸收。

綜上所述，HY5 作為可移動的長距離信號，將依賴于phyB 的紅光信號傳遞至根部，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控SLs 合成基因來促進(jìn)根部SLs 的合成，從而提高AMF 在番茄根系中的定殖和磷的吸收。這一研究結(jié)果為利用菌根共生提高養(yǎng)分利用率提供了新的思路。