植物磷穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機制

劉潮 褚洪龍 吳麗芳 唐利洲 韓利紅

（曲靖師范學(xué)院生物資源與食品工程學(xué)院 云南省高校云貴高原動植物多樣性及生態(tài)適應(yīng)性進化重點實驗室 云南省高校特色果酒技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用工程研究中心，曲靖 655011）

礦質(zhì)元素直接參與細胞的生長發(fā)育和新陳代謝等基本生命過程，是真核生物生長和代謝所必需的重要成分。磷（phosphorus，P）是植物必需的三大元素之一，維持細胞磷穩(wěn)態(tài)對植物的生長和產(chǎn)量至關(guān)重要，磷素營養(yǎng)一直是植物營養(yǎng)學(xué)研究的熱點問題之一。植物以H2PO4-和HPO42-的磷酸根離子（inorganic phosphate，Pi）形式從土壤中獲取磷，而土壤磷主要以有機磷和無機磷的形式存在，大部分磷酸根離子被土壤固相吸附或與土壤中的陽離子形成難溶的磷酸鹽，植物實際可利用的無機磷嚴重不足。全世界30%以上作物的生長受到磷的限制，土壤缺磷是限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素［1］。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)需要施用大量磷肥，在提高作物產(chǎn)量的同時，也帶來了肥料利用率低和環(huán)境污染等一系列問題，導(dǎo)致部分農(nóng)田土壤富磷，培育合理而高效利用磷素的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。由于磷礦石屬于不可再生資源，未來幾十年內(nèi)將面臨枯竭，提高植物對磷的利用效率成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的主要問題之一［1］。隨著生物信息學(xué)和現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對植物磷素的吸收和轉(zhuǎn)運、維持磷內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡的分子機制有了越來越深刻的理解，這在基礎(chǔ)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上均具有重要的意義。本文對植物磷穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機制進行綜述，旨在為深入理解植物磷營養(yǎng)的吸收、轉(zhuǎn)運和內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控機制，以及通過遺傳工程提高作物磷吸收及利用效率提供借鑒。

1 植物的磷穩(wěn)態(tài)

磷是核酸、磷脂和ATP等生命大分子的重要組成成分，在植物光合作用、呼吸作用和能量轉(zhuǎn)換等重要生命過程中發(fā)揮了不可或缺的作用［2］。適當?shù)募毎诐舛仁蔷S持植物生理生化反應(yīng)所必需的，能提高作物的抗寒、抗旱和抗病等能力。缺磷直接影響植物體中核蛋白的形成和細胞的分裂、增殖，抑制主根生長，促進側(cè)根和根毛伸長，但根系總長度保持穩(wěn)定［3］。低磷條件下，植物產(chǎn)生一系列適應(yīng)性反應(yīng)，通過改變根系結(jié)構(gòu)、分泌酸性磷酸酶、誘導(dǎo)與菌根真菌共生、增強外部磷的獲取和內(nèi)部磷的循環(huán)與再利用來維持磷的動態(tài)平衡［2］。營養(yǎng)生長階段，磷素主要集中在幼芽和根尖，而生殖生長階段，磷素通過再利用轉(zhuǎn)移到種子或者果實中。前人通過正向或反向遺傳學(xué)、功能缺失突變體或過表達的轉(zhuǎn)基因植物等鑒定了多個參與植物細胞磷穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的基因。磷脅迫響應(yīng)因子PHR（phosphate starvation response）和磷轉(zhuǎn)運載體PHT（phosphate transporter）構(gòu)成了植物磷信號通路中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)模塊，在維持不同細胞器間的磷穩(wěn)態(tài)中起重要作用（圖1）。進化過程中，為維持磷穩(wěn)態(tài)，植物在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和翻譯后水平上形成了復(fù)雜的響應(yīng)土壤磷含量變化、磷信號傳感和級聯(lián)的分子機制，用以調(diào)控根系結(jié)構(gòu)、有機酸分泌、低磷適應(yīng)相關(guān)基因表達、菌根形成等［1，4］。許多轉(zhuǎn)錄因子、miRNAs和磷轉(zhuǎn)運體參與磷信號通路，其活性受糖和植物激素信號調(diào)控。高鹽、干旱、低溫和病原等環(huán)境脅迫顯著影響植物對養(yǎng)分的吸收和利用，低磷脅迫信號與環(huán)境應(yīng)激信號通路間可能存在互作關(guān)系［5］。提高磷效率可以通過提高植物對磷的獲取效率和利用效率來實現(xiàn)。因此，揭示植物響應(yīng)磷含量和調(diào)節(jié)磷平衡的分子機制不僅具有重要的生物學(xué)意義，還將為開發(fā)“磷高效”農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

圖1 植物細胞磷穩(wěn)態(tài)調(diào)控的核心分子［6-8］Fig. 1 Core elements involved in cellular-level phosphorus homeostasis［6-8］

2 土壤磷的活化

根系是植物吸收磷的主要器官，根系釋放的有機陰離子對磷吸收有重要作用，檸檬酸循環(huán)產(chǎn)生的低分子量有機酸（如檸檬酸、蘋果酸和丙二酸和草酸等）通過與無機磷和有機磷競爭吸附位點或配體促進礦物溶解，提高土壤磷的有效性［9］。水稻（Oryza sativa）分泌酸性磷酸酶OsPAP10c至土壤環(huán)境中，提高了水稻根系表面磷酸酶活性，利用其自身啟動子提高OsPAP10c表達，顯著促進水稻生長和單株產(chǎn)量［10］。低磷脅迫下，植物通過增加根系分泌物、側(cè)根和根毛長度與密度，改變根的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)磷饑餓響應(yīng)基因表達，從而提高植物磷的吸收能力［2］。轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)顯示，低磷脅迫4周后，燕麥（Avena sativa）根系檸檬酸和蘋果酸分泌增加，48個與有機陰離子生物合成和外排有關(guān)的基因持續(xù)上調(diào)表達［11］。在缺磷條件下，耐低磷模式植物白羽扇豆（Lupinus albus）產(chǎn)生大量緊密排列的叢生根，通過一氧化氮（nitric oxide，NO）的積累增加根系磷吸收表面積，同時大量分泌質(zhì)子、有機酸和酸性磷酸酶，從而增加土壤中磷的有效性［12］。不同磷響應(yīng)模式基因型的大豆（Glycine max）根系蛋白質(zhì)組學(xué)比較研究發(fā)現(xiàn)多個具豐度差異的蛋白質(zhì)，包含多個參與羧酸合成的酶，如蘋果酸脫氫酶和異檸檬酸脫氫酶等［13］。針對這些酶的合成調(diào)控相關(guān)基因的深入研究對于了解有機酸的產(chǎn)生和釋放機制具有重要指導(dǎo)意義。

3 植物磷吸收的調(diào)控機制

植物缺磷引起根系外部形態(tài)結(jié)構(gòu)改變，包括側(cè)根、根毛密度和長度的增加［1］。植物進化出應(yīng)對缺磷的一系列適應(yīng)性反應(yīng)稱為磷饑餓反應(yīng)（phosphate starvation response，PSR）。低磷信號通過觸發(fā)木質(zhì)部細胞中生長素的增加，誘導(dǎo)TMO5/LHW（target of monopteros 5/lonesome highway）二聚體引發(fā)的維管細胞中細胞分裂素的生物合成，改變表皮細胞生長，增加根毛密度，提高擬南芥的磷獲?。?4］。在缺磷條件下，白羽扇豆可能通過LaABCG36s和LaABCG37s參與的生長素調(diào)控，促進了叢生根的形成，提高了植物對低磷的耐受性［12］。

轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控是PSR的重要組成部分。PHRs是一類含MYB-CC結(jié)構(gòu)域的磷素正調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子，其功能受磷素負調(diào)控因子SPX4抑制［15］。植物磷吸收很大程度上依賴于質(zhì)膜定位的PHT1，其由質(zhì)膜磷酸轉(zhuǎn)運蛋白家族基因PHT1編碼，受多個基因在不同水平上的調(diào)控，PHR1是控制磷吸收和分配、花青素積累和碳代謝的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄激活劑［4］。PHR1由MYB轉(zhuǎn)錄因子家族DNA結(jié)合蛋白基因所編碼，通過結(jié)合P1BS元件，啟動下游包括PHT1在內(nèi)的多個PSR基因表達［16-20］。水稻中OsPHR1-OsPHR4均響應(yīng)磷脅迫信號，并冗余調(diào)控了低磷誘導(dǎo)基因的表達，OsPHR2和OsPHR4過表達均導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因水稻的莖尖磷積累增加，且OsPHR2的過表達也會促進根伸長和根毛增殖，而OsPHR4主要在維管組織中表達，且貫穿整個生長發(fā)育周期［21-22］。水稻磷轉(zhuǎn)運蛋白OsPHT1；3和OsPHT1；8介導(dǎo)了極低磷濃度條件下磷的吸收、轉(zhuǎn)運和再利用，MYCS（mycorrhiza transcription factor binding sequence）和P1BS（PHR1 specific binding sequence，GnATATnC）是 植 物 菌根誘導(dǎo)PHT基因啟動子中必需的調(diào)控元件，IPS1（induced by phosphate starvation 1）基因通過介導(dǎo)級聯(lián)信號調(diào)節(jié)PHT1s和PHO1的表達，調(diào)控植物根系的活動和磷從地下到地上的運輸［21］。磷充足時，幾乎檢測不到IPS1（induction by phosphate starvation 1）的表達，但低磷條件會誘導(dǎo)IPS1的高度表達［23］。擬南芥中9個PHT1基因受低磷誘導(dǎo)表達，Pht1；1和Pht1；4雙突變體對磷的吸收能力比野生型降低了75%［24］。

microRNA（miRNA）是一類20-24個核苷酸的內(nèi)源非編碼小RNA，多以單拷貝、多拷貝或基因簇的形式存在于基因組中，通過干擾轉(zhuǎn)錄或翻譯介導(dǎo)靶基因的下調(diào)表達，在細胞內(nèi)發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。一些miRNAs可響應(yīng)低磷脅迫信號，并被運輸?shù)讲煌鞴僦?，通過調(diào)節(jié)磷吸收相關(guān)基因的表達來增強對磷的吸收，響應(yīng)植物對磷的應(yīng)答反應(yīng)［25］。miR399和miR827受PHR1正調(diào)控，miR399通過靶向PHO2提高PHT1表達，系統(tǒng)調(diào)節(jié)磷穩(wěn)態(tài)［26-27］。玉米中miR399特異性受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達，miR399過表達的轉(zhuǎn)基因玉米植株成熟葉片邊緣出現(xiàn)磷中毒表型，miR399-PHO2調(diào)控通路保守的存在于玉米、擬南芥、水稻中［27］。長鏈非編碼RNA（PILNCR1）可與 PHO2 競爭性結(jié)合miR399，在玉米磷信號調(diào)控中發(fā)揮平衡作用［27］。在許多植物物種中，miR399基因家族的表達與菌根定殖呈負相關(guān)［28］。低磷脅迫下，Hvu-miR399調(diào)控其靶基因HvPHO2下調(diào)表達，并釋放出磷轉(zhuǎn)運蛋白PHO1和PHT1s，促進磷酸鹽的吸收和轉(zhuǎn)運［29］。miR393通過調(diào)節(jié)生長素受體在細胞水平上負調(diào)控叢枝菌根的發(fā)育［30］。除此之外，多個miRNA 家族成員參與了植物對磷穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)，如miR169、miR395、miR778等在調(diào)控植物磷的吸收和轉(zhuǎn)運中發(fā)揮作用［25，31］。

多數(shù)陸生植物通過與叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）共生，在根皮層細胞中分化出叢枝，以增加礦質(zhì)養(yǎng)分（尤其磷素）的獲?。?2］，共生植物通過感受磷營養(yǎng)狀況控制共生菌根的發(fā)生和發(fā)展［33］。這一過程由復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)控，包括植物激素、microRNAs和多肽分子［34］。低磷脅迫強烈誘導(dǎo)了獨腳金內(nèi)酯（strigolactone，SL）的生物合成，SL刺激番茄（Solanum lycopersicum）根系分泌叢枝菌根分支因子，促進了AMF與植物的共 生［35］（圖1）。ABCG類 蛋 白PDR1（pleiotropic drug resistance 1）驅(qū)動了矮牽牛（Petunia hybrida）SL向根際的運輸，PDR1過表達植株加強SL合成和AMF菌絲分支，促進側(cè)根形成、根毛伸長和菌根形成，顯著提高了低磷條件下的磷吸收和植物生物量［36］。首個被克隆的高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運體是源自酵母（Saccharomyces cerevisiae）的PHO84［37］，而菌根真菌PHO84型H+/Pi共轉(zhuǎn)運體參與了外生菌根共生界面中磷的卸載［38］。植物與AMF的互作存在物種差異性，7種AMF分別接種蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）和番茄，發(fā)現(xiàn)在AMF定殖、植物營養(yǎng)吸收和生長、植物磷吸收相關(guān)基因表達水平均存在明顯差異［33］。蒺藜苜蓿的菌根共生必需轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子IPD3（interacting protein of does not make infections 3）和IPD3L促進菌絲在植物根系內(nèi)部的生長，在高磷環(huán)境下具有穩(wěn)定信號傳遞的功能［39］。

根瘤是豆科植物生物固氮的主要場所，在植物氮磷平衡調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，大豆根瘤中GmPHR和GmPHT1之間存在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控關(guān)系，高表達GmPHT1；11增強了磷的積累和固氮酶活性，二者在共同維持根瘤磷動態(tài)平衡中發(fā)揮作用［40］。miR2111作為莖尖-根部轉(zhuǎn)運信號，通過抑制結(jié)瘤的負調(diào)因子TML（too much love），活化根部細胞分裂素感知因子LHK1（lotus histidine kinase 1）和自動調(diào)節(jié)的莖尖因子HAR1（hypernodulation aberrant root formation 1），促進根瘤菌的侵染［41］。

植物磷穩(wěn)態(tài)受到多種植物激素的調(diào)節(jié)作用。根尖通過感受環(huán)境PO43-濃度，調(diào)節(jié)根系生長和對磷的響應(yīng)，生長素（auxin）、脫落酸（abscisic acid，ABA）、赤 霉 素（gibberellin，GA）、細 胞 分 裂 素（cytokinins，CK）和乙烯（ethylene）等植物激素參與其中［42］。低磷條件下，水稻根系生長素IAA濃度增加，促進膨脹素（expansin）基因表達，增加根系的長度和表面積［43］。ABA通過抑制低磷誘導(dǎo)的果膠甲基酯酶活性和磷酸轉(zhuǎn)運蛋白基因OsPT6表達，降低果膠含量，負調(diào)控根和地上部可溶性磷的含量，從而減少細胞壁磷的再利用及其向地上部的轉(zhuǎn)運［44］。GA在番茄幼苗的磷饑餓反應(yīng)起雙重作用，促進了根系初生根的生長，抑制了幼苗中花青素積累及其相關(guān)基因的表達［45］。玉米素（zeatin）是重要的細胞分裂素，在植物根/莖生長平衡中發(fā)揮重要作用，擬南芥通過增加順式玉米素（cis-zeatin，cZ）/反式玉米素（trans-zeatin，tZ）的比例對低磷脅迫信號做出響應(yīng)，cZ通過促進根和根毛的伸長，提高根系從周圍環(huán)境中吸收磷的能力［46］。低磷條件下，NO的積累誘導(dǎo)乙烯合成，乙烯通過提高果膠含量顯著提高根系可溶性磷含量［47］。生長素、細胞分裂素和乙烯促進了植物磷的吸收和轉(zhuǎn)運，而脫落酸和赤霉素在植物磷利用中發(fā)揮負調(diào)控作用。

4 植物磷轉(zhuǎn)運的調(diào)控機制

肌醇多磷酸鹽（inositol pyrophosphate，InsP）作為磷信號分子廣泛存在于所有真核細胞中，可被受體SPX蛋白感知，在人類、真菌和植物的生長發(fā)育、能量代謝和抗逆等多個生命過程中有重要作用，受到越來越多的重視［48-50］。研究發(fā)現(xiàn)，InsPs在植物的磷響應(yīng)過程中發(fā)揮負調(diào)控作用，其通過結(jié)合含有SPX結(jié)構(gòu)域的磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白、信號蛋白和多聚磷酸酶，靶向植物特有的PHR螺旋卷曲CC（coiled-coil）結(jié)構(gòu)域，調(diào)節(jié)植物的低磷脅迫反應(yīng)，調(diào)控磷的吸收、轉(zhuǎn)運和存儲［49-50］。磷充足時，二磷酸鈉五磷酸激酶VIH1和VIH2促進InsP7合成為InsP8，后者直接結(jié)合磷受體SPX1，促進SPX1和PHR1的相互作用，從而抑制PHR1對低磷響應(yīng)基因的激活［7］。磷缺乏時，InsP8含量降低，SPX1不能和PHR1結(jié)合，PHR1結(jié)合到P1BS位點，激活低磷響應(yīng)基因的表達，啟動低磷脅迫應(yīng)答［7］（圖1）。

低磷信號通路主要由PHR1和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)成，這些轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控下游基因表達，主要控制低磷響應(yīng)過程，如磷的轉(zhuǎn)運、細胞膜重建、根冠比調(diào)整及光合作用抑制等［48］。PHR-PHT1構(gòu)成一個跨物種的保守調(diào)控模塊，在維持植物磷穩(wěn)態(tài)中起重要作用［40，48］。植物中PHR1組成性表達，受SPX結(jié)構(gòu)域蛋白（SPX1、SPX2和SPX4）負調(diào)控，而SPX結(jié)構(gòu)域蛋白通過識別InsP感受低磷信號［48］。AtSPX1和AtSPX3在植物對低磷脅迫的適應(yīng)中發(fā)揮積極作用，AtSPX3負調(diào)控AtSPX1對磷饑餓的反應(yīng)［51］。正常條件下，SPX在InsPs的作用下，結(jié)合并抑制PHR1和花青素合成相關(guān)蛋白PAP1（production anthocyanin pigments 1）對下游基因的調(diào)控，低磷條件下，由于缺少InsPs，PHR1和PAP1被SPX釋放，PHR1結(jié)合到低磷響應(yīng)基因的啟動子上，直接誘導(dǎo)PHT1和PHF1（phosphate transporter traffic facilitator 1，定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，調(diào)節(jié)PHT1s由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運）的表達，從而激活了PAP1和二氫黃酮還原酶基因DFR（dihydroflavonol 4-reductase）等的表達，促進磷的吸收、分配和再利用［8，20，52］。磷充足條件下，SPX4是地上部PHR1依賴性和非依賴性PSR反應(yīng)的負調(diào)節(jié)因子，其功能喪失導(dǎo)致地上部磷的過度積累［15］，SPX4蛋白通過結(jié)合PHR2抑制其進入細胞核，阻礙PHR2對下游基因的調(diào)控，從而抑制磷信號通路的啟動［53］。SPX4的穩(wěn)定性同時受到泛素E3連接酶SDELs、PHR2和多聚磷酸肌醇（IPs）的調(diào)控，富磷條件下含量較高的IPs介導(dǎo)SPX4與PHR2形成穩(wěn)定復(fù)合體SPX4-IPs-PHR2［49］，導(dǎo)致SDELs不能有效識別SPX4，從而阻礙了SPX4的泛素化修飾，SPX4得以穩(wěn)定存在，PSR處于靜息狀態(tài)。低磷條件下，SPX4-IPs-PHRs復(fù)合體解聚，SDELs能有效識別并泛素化修飾游離的SPX4蛋白，促進其降解，PHR2進入細胞核啟動下游磷信號基因表達［54］。擬南芥根中，PHR1能響應(yīng)生長素信號，受生長素應(yīng)答因子ARF7和ARF19的直接調(diào)控［55］。OsPHR1-OsPHR3通過識別啟動子中P1BS順式元件調(diào)控OsPHR4的表達［22］。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)植物miR827靶向PHT5，而十字花科（Brassicaceae）和醉蝶花科（Cleomaceae）植物miR827靶向NLA（Arabidopsisnitrogen limitation adaptation）［56］，抑 制靶基因表達，而NLA和PHT5均為SPX結(jié)構(gòu)域蛋白，NLA具有E3泛素連接酶活性，可降低AtPT2、OsPT2和OsPT8的積累［57-58］，PHT5作為液泡磷轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)磷的貯存和再分配［59］。miR399調(diào)控了多個磷響應(yīng)和磷轉(zhuǎn)運靶基因，這些基因主要參與植物磷代謝、應(yīng)激響應(yīng)、基因表達調(diào)控等多項進程［60］。OsWRKY21和OsWRKY108蛋白通過W-box順式作用元件誘導(dǎo)OsPHT1；1的持續(xù)表達［61］。除此之外，其他家族的轉(zhuǎn)錄因子，如AP2/ERF（ERF070）［62］、bHLH（bHLH32）［63］、ZAT（ZAT6）［64］等在調(diào)節(jié)低磷脅迫適應(yīng)的不同時空形態(tài)的生理學(xué)和分子反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。這些研究表明不同家族轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)節(jié)磷穩(wěn)態(tài)的信號傳感和級聯(lián)反應(yīng)，并構(gòu)成了復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

植物通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運體調(diào)控無機磷在不同的細胞、不同的組織之間的轉(zhuǎn)移分配，以此滿足植物生長發(fā)育對磷素的需求。擬南芥（Arabidopsis thaliana）磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白基因PHO1（PHOSPHATE1）主要在根的維管細胞中表達，PHO1蛋白包含親水N端的SPX（SYG1/Pho81/XPR1）三重結(jié)構(gòu)域和疏水C端六次跨膜的EXS結(jié)構(gòu)域，可將無機磷裝載到根的木質(zhì)部中，主要參與磷從根部通過木質(zhì)部向地上部的運輸，受PHO2負調(diào)控［65-66］。磷充足條件下，轉(zhuǎn)錄因子WRKY6和WRKY42直接負調(diào)控磷根冠轉(zhuǎn)運關(guān)鍵基因PHO1的表達，抑制根冠磷轉(zhuǎn)運［67-69］。低磷脅迫下，磷酸鹽響應(yīng)的E3泛素連接酶1（PRU1）泛素化WRKY6，解除WRKY6對PHO1的抑制作用，促進磷根冠轉(zhuǎn)運［67］。小立碗蘚（Physcomitrella patens）中多個AtPHO1同源基因受低磷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達，表明苔蘚植物與高等植物在磷信號通路中有相似的調(diào)控機制［70］。擬南芥和水稻SULTR磷轉(zhuǎn)運蛋白（SULTR-like phosphorus distribution transporter，SPDT）均定位于質(zhì)膜上，在植物磷的組織分配和轉(zhuǎn)運中起作用［71-72］。mRNAs作為信號源，在植物組織間長距離移動，應(yīng)答低磷脅迫信號，調(diào)控低磷脅迫相關(guān)基因表達和其它相關(guān)反應(yīng)［48］。長期低磷脅迫的擬南芥中，90個轉(zhuǎn)錄本表現(xiàn)為受磷脅迫誘導(dǎo)的遷移，mRNA的遷移率受環(huán)境條件（磷饑餓）的影響［73］。在自交系和野生玉米根系中，類胡蘿卜素裂解酶基因ZmCCD10a受低磷誘導(dǎo)顯著上調(diào)表達，體外實驗表明ZmPHR1；1和ZmPHR1；2可直接結(jié)合ZmCCD10a啟動子，擬南芥ZmCCD10a過表達株系優(yōu)先向地上部分配磷，從而增強其低磷耐受能力［74］。

不同細胞器間的磷轉(zhuǎn)運在植物磷穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。液泡是植物體內(nèi)的重要磷庫，磷在液泡中的臨時存儲對維持磷穩(wěn)態(tài)有重要作用［6］（圖1）。研究表明，液泡磷酸轉(zhuǎn)運體（vacuolar phosphate transporter，VPT）家族成員VPT1（PHT5；1）和VPT3負責磷在液泡中的存儲、隔離和分配，保障生殖階段磷向生殖器官的有序流動，在植物生殖發(fā)育中起重要作用［75］。水稻PHT5同源物OsSPX-MFS1、OsSPX-MFS2和OsSPX-MFS3定位于液泡膜上，其中OsSPX-MFS1介導(dǎo)磷向液泡的流入，而OsSPX-MFS3介導(dǎo)磷向胞質(zhì)的流入［76］。水稻液泡磷外流轉(zhuǎn)運蛋白OsVPE1和OsVPE2，由質(zhì)膜甘油-3-磷酸轉(zhuǎn)運蛋白進化而來，在液泡磷的外運過程中發(fā)揮作用［77］。擬南芥pht5；1突變體中積累的磷低于野生植株，液泡和細胞質(zhì)的磷濃度較低，而PHT5的過表達導(dǎo)致液泡中磷大量積累［59］。PP2C型蛋白磷酸酶OsPP95通過調(diào)控水稻PHT的磷酸化水平，影響其從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運及植物體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)［8］。酪蛋白激酶OsCK2通過磷酸化PHT1s，抑制水稻中PHT1s由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運，而OsPP95與OsPT2和OsPT8相互作用，在Ser-517處使OsPT8去磷酸化，促進了OsPT2和OsPT8從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致磷的積累。OsPP95和CK2拮抗調(diào)控PHT1的磷酸化狀態(tài)，影響PHT1從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運，進而調(diào)控植株的磷平衡［8］（圖1）。磷屬于可再利用元素，在葉片衰老過程中，儲存在老葉中的磷元素會被重新轉(zhuǎn)移到新生葉片或果實中。水稻中酸性磷酸酶基因OsPAP26在缺磷或葉片衰老過程中上調(diào)表達，其在磷從衰老葉片到新生葉片的再利用中發(fā)揮作用［78］。

營養(yǎng)元素的平衡對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成至關(guān)重要。植物體內(nèi)存在氮磷平衡的調(diào)控和信號途徑互作關(guān)系，使植物保持氮磷平衡的吸收和利用。根系磷饑餓誘導(dǎo)（phosphate starvation induced，PSI）基因及PSR 反應(yīng)受到氮素有效性的控制，小麥（Triticum aestivum）、水稻等作物缺氮時PSR會主動關(guān)閉［79］。AtNLA介導(dǎo)硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白AtNRT1.7和AtPHT1s的降解，調(diào)節(jié)NO3-從源到庫的再分配，參與了氮磷吸收利用的拮抗互作調(diào)節(jié)［57，80］。水稻通過NRT1.1B-SPX4-NLP3 / PHR2級聯(lián)整合了植物中氮和磷的信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。在硝酸鹽存在情況下，NRT1.1B通過招募E3泛素連接酶NBIP1，介導(dǎo)SPX4的泛素化降解，從而釋放PHR2，激活下游磷吸收利用相關(guān)基因，SPX4降解的同時促進了氮信號核心轉(zhuǎn)錄因子NLP3從細胞質(zhì)向細胞核中的穿梭，進而激活硝酸鹽應(yīng)答反應(yīng)，實現(xiàn)了氮磷營養(yǎng)平衡的分子機制［81-82］。PHO2 在氮信號與 PSR 反應(yīng)中起“調(diào)節(jié)器”作用，參與PSR的E2結(jié)合酶PHO2表達水平受到氮有效性的調(diào)節(jié)，PHO2又是 NRT1.1的正調(diào)節(jié)因子，植物氮磷信號間存在復(fù)雜性與連通性特點［79］。高氮條件下，PHR2激活硝酸鹽誘導(dǎo)高表達基因HINGE（highly induced by nitrate gene）轉(zhuǎn)錄，HINGE蛋白通過與SPX蛋白結(jié)合，釋放PHR2，增強磷響應(yīng)基因的表達［81］。研究也發(fā)現(xiàn)，擬南芥和玉米（Zea mays）中的磷酸鹽誘導(dǎo)的GARP型轉(zhuǎn)錄抑制子NIGT（nitrate-inducible GARP-type transcriptional repressor）既誘導(dǎo)磷轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達，又抑制氮轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)植物的氮磷平衡［83］。此外，水稻二磷酸腺苷葡萄糖焦磷酸化酶基因OsAGP受低磷和低氮信號誘導(dǎo)，在植物“碳-氮-磷”養(yǎng)分協(xié)同中發(fā)揮作用［84］。目前，人們對植物體中磷與其他營養(yǎng)元素的互作調(diào)節(jié)知之甚少。外源高鉀濃度抑制擬南芥對磷的吸收，從而誘導(dǎo)PSR并上調(diào)磷吸收相關(guān)基因的表達［85］，鉀的施用降低了磷的有效性［86］。miR169s和miR399s等與氮磷饑餓相關(guān)的miRNAs也受到鉀缺乏的調(diào)控［31］。

5 結(jié)語

土壤缺磷限制了作物的產(chǎn)量，了解低磷土壤條件下植物維持磷穩(wěn)態(tài)的機制，對于確保全球糧食安全至關(guān)重要。近年來，植物磷吸收、運輸和代謝的分子機制研究取得了巨大進展，成為研究最為深入的營養(yǎng)信號通路之一［1，6］（圖1）。植物磷穩(wěn)態(tài)的維持是通過多種生理過程的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)的，包括根際磷的吸收、木質(zhì)部的裝載、器官間的分配和再利用，涉及多種組織和器官間的信號交流和物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換。植物根系在有效磷的活化和吸收中發(fā)揮決定性作用，因此，在利用基因工程進行作物育種過程中，應(yīng)重視植物根系性狀及分泌物與低磷脅迫響應(yīng)能力的關(guān)系，全面揭示植物磷穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機制，為作物高產(chǎn)育種和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

重要磷信號相關(guān)調(diào)控因子間的作用網(wǎng)絡(luò)已逐 步 被 揭 示，如PHR-PHT1［40］、PRU1-WRKY6-PHO1［67-68］和miR399-PHO2［28］等 的 調(diào) 控 系 統(tǒng)。CRISPR/ Cas9系統(tǒng)作為一種精確且高效的基因編輯技術(shù)，因具有特異性和易操作性，為快速而系統(tǒng)地建立基因敲除系、調(diào)控因子組合的工程化提供了極大便利，被廣泛應(yīng)用于疾病治療和作物育種研究。該技術(shù)在植物磷穩(wěn)態(tài)調(diào)控中具有較大應(yīng)用潛力，大量與植物磷穩(wěn)態(tài)相關(guān)的調(diào)控因子已被鑒定和驗證，通過基因工程手段對這些分子進行組合研究具有廣闊的應(yīng)用前景和價值［18］。

雖然對植物磷穩(wěn)態(tài)機制的研究已取得大量進展［25，87-88］，但仍有一些問題有待解決；低磷脅迫誘導(dǎo)有機酸分泌的分子機制尚不清楚；營養(yǎng)元素信號通路間的互作關(guān)系還不明確；miRNA除了直接調(diào)控相關(guān)基因表達外，也通過表觀遺傳的方式響應(yīng)低磷脅迫，雖然鑒定并驗證了一些低磷脅迫相關(guān)的miRNA，但這些miRNA 對其靶基因的調(diào)控機制還需更深入的研究。此外，小干擾RNA、長鏈非編碼RNA等小分子RNA在調(diào)控植物磷穩(wěn)態(tài)中的作用仍有待進一步研究［32］。今后研究面臨的一個挑戰(zhàn)是建立局部信號與遠程感知與轉(zhuǎn)換的信號網(wǎng)絡(luò)，盡快將模式植物的研究成果轉(zhuǎn)化到栽培作物中進行驗證，這對于作物品種改良和遺傳育種具有重要的指導(dǎo)價值。在環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)和不可再生資源有限的情況下，植物磷穩(wěn)態(tài)已成為植物營養(yǎng)研究的熱點方向，具有重要的理論和實踐應(yīng)用價值。