植物耐低磷的轉錄調控機制

孟令芝 ，樊 娟 ，陳 釗 ，李亞娟 ，王興春 ，楊致榮

（1.山西農業大學生命科學學院，山西太谷030801；2.山西農業大學研究生學院，山西太谷030801；3.山西農業大學文理學院，

山西太谷030801；4.華南農業大學公共基礎課實驗教學中心，廣東廣州510642；5.山西農業大學農業生物工程研究所，山西太谷030801）

磷作為植物生長發育所必需的大量元素之一，是組成生物膜的重要成分，在植物生長發育過程中起著不可或缺的作用[1]。但是，由于全球土壤普遍缺磷，人們只能通過增施磷肥來保證磷供應。即便如此，全球30%的耕地仍然存在缺磷現象，因施用高磷肥的結果會造成更大比例的磷流失[2]。近年來，山西土壤普查結果顯示，土壤有效磷含量有所上升，但不科學的耕作制度也造成了養分發展的不平衡和環境的嚴重污染[3]。因此，如何高效地利用磷受到了人們的普遍關注，對其分子機制的研究更受到了高度重視。

國外對作物磷營養效率基因型差異的研究起步較早，早在20世紀初就由Smith率先在玉米上進行研究，之后人們相繼對黑麥、小麥、大麥、高粱、豆類、番茄、三葉草等作物進行了相關研究[4]。2005年，國際上第一個在植物中具有明確提高磷效率功能的轉錄因子OsPTF1在浙江大學被克隆成功[5]。在此之后，低磷誘導轉錄因子的研究受到廣泛關注，如MYB家族中的MYB62和PHR1等。同時，PHR1的2個靶基因PHO1和PHO2也是低磷誘導基因。其中，PHO1基因也受到WRKY家族中WRKY6的調控。除WRKY6之外，WRKY家族中的WRKY42，WRKY75也對磷酸內穩態起到了重要作用[6-7]。

筆者介紹了國內外各種低磷誘導相關轉錄因子的研究現狀以及影響轉錄因子調控的因素，希望為今后開展相關低磷誘導基因的研究和應用工作奠定理論基礎。

1 植物低磷脅迫轉錄因子的調控

有研究表明，當植物受到低磷脅迫時，一些基因被誘導表達，植物的生理構型就會隨之發生改變[8]。這些被誘導的基因并非獨立存在，而是相輔相成的。同時，這些基因會引起植物體內某些營養元素的變化，以此誘導形態變化，使之利于磷的吸收。

擬南芥中的MYB轉錄因子PHR1與磷饑餓響應有重要的聯系。在phr1突變體中，花青素的積累量、淀粉和糖的含量都比野生型低，AGP酶活性也較低，因此，易受到磷饑餓誘導基因的影響，導致發育緩慢，根冠比和花青素含量明顯低于野生型[9]。另外，在缺磷時受到光脅迫的phr1突變體中PSII的量子產量也明顯減少，而PSII與光淬滅相關。由此可以推斷，PHR1可能影響植物的光合作用，避免光系統在高光強下受到永久傷害[10]。

PHO1和PHO2都是PHR1的靶基因，過量表達PHR1可以提高PHO1和PHO2的轉錄水平。Hamburger等[11]通過圖位克隆的方法從擬南芥中分離到了PHO1基因。序列分析表明，PHO1有10個同源基因，其中，受到磷酸脅迫正調控的基因僅有3個，分別是 AtPHO1，AtPHO1；H1 和 AtPHO1；H10。PHO1和PHO1；H1定位于根和幼苗的維管束，其中，AtPHO1；H1在正常情況下表達量很低，缺磷時受到PHR1轉錄因子的調控而使表達量增加。無論缺磷與否，在含有蔗糖的培養基中，AtPHO1和At－PHO1；H1轉錄水平都有所升高，而AtPHO1；H10卻受到抑制[12]。與蔗糖合成相關的轉錄因子SUC2過量表達也可引起擬南芥磷酸高敏感突變體出現相關表型[13]。說明蔗糖也會影響磷誘導基因的表達。

WRKY6通過調控PHO1的表達適應磷脅迫，它的過量表達又可以抑制PHO1的表達，PHO1表達又抑制了WRKY42的轉錄，說明WRKY6和WRKY42都與PHO1表達調控擬南芥低磷脅迫響應有關[14]。此外，WRKY75對PHO1表達的抑制會在低磷時減弱。通過微陣列分析發現，WRKY75可以正調控擬南芥中磷吸收和根系發育。同時，微陣列分析結果也表明，另一個對磷負調控的C2-H2型鋅指蛋白轉錄因子ZAT6在缺磷時明顯被誘導。ZAT6過量表達也抑制了一些磷脅迫基因的表達，暗示了它影響磷酸內穩態的很多方面[15]。

在磷供應充足的情況下，pho2突變體會在葉片中積累一定的磷。微體嫁接表明，pho2突變體的根部構型有助于葉片中磷的積累。圖位克隆發現，PHO2是罕見的E2結合酶基因，同時也是受低磷特異誘導表達的microRNAmiR399的底物。此外，一些在缺磷phr1突變體中受到抑制的磷酸響應基因，在不缺磷的pho2突變體中卻受到正調控。可見，PHO2和miR339是PHR1下游進行磷酸調控網絡的分支[16]。

BHLH32也是一個磷酸饑餓響應的負調控基因。bhlh32突變體不缺磷時，磷饑餓誘導基因的表達量、花青素積累量、總磷含量以及根毛數目都比野生型明顯上升。被BHLH32負調控的某些基因可以編碼 PPCK（phosphoenolpyruvatecarboxylasekinase），而PPCK在修飾新陳代謝時會造成磷損耗[17]。

可見，這些耐低磷轉錄因子互相作用的同時影響其他化合物的合成，形成一個大的調控網絡，然后共同影響植物中的磷酸內穩態。因此，可以采取各個擊破的方式，對這些轉錄因子分別進行功能研究及表達分析，找到它們之間的聯系，最終得到一個完整的磷酸調控網絡。

2 低磷脅迫轉錄因子與激素調控

低磷脅迫時，低磷誘導轉錄因子可以刺激赤霉素合成，乙烯、脫落酸等激素又會影響磷酸信號傳導通路，影響磷吸收。

DELLA蛋白是赤霉素信號通路的核心組成部分，該通路在缺磷時有助于植物花青素積累和根系形態變化（如根毛長度的調控）[18]。此外，過量表達MYB62會出現典型的赤霉素缺失表型，所有GA生物合成基因的調控都受MYB62影響。

乙烯對植物耐低磷響應有間接的影響，它能夠調節不同濃度磷酸條件下根系的相對伸長率，改變磷酸信號傳導通路，使植物根系適應低磷環境[19]。脫落酸會誘導一些與耐低磷相關的鋅指蛋白基因在受磷脅迫的植株中表達。此外，生長素響應基因表達量在磷脅迫植株中也普遍下調[20]。另外，細胞分裂素、生長激素等也會對磷吸收產生一定的影響。

3 低磷脅迫轉錄因子與根系生長發育

植物缺磷時會引起一些形態變化來適應低磷脅迫，這種變化主要來自根系方面。如低磷時根系為了吸收到更多的磷，根毛密度大大增加，根系形態發生明顯變化[21-22]。近年來的研究表明，WRKY75[23]和ZAT6[15]等轉錄因子參與了低磷脅迫時根系發育的調控。之所以會發生根系形態的變化，與耐低磷轉錄因子調控某些促進根系生長、細胞分裂的激素有關。這一觀點已有一定的研究基礎，但還有待進一步探索。

4 磷相關轉錄因子對花青素積累的調控

眾所周知，植物缺磷的一個典型特征就是花青素積累。然而，phr1突變體在低磷脅迫時無花青素的積累，在激素脅迫時卻可以正常積累花青素，表明PHR1特異地調控了低磷脅迫時花青素的積累[24]。與PHR1不同，BHLH32是低磷反應的負調控因子，功能缺失突變體bhlh32在正常條件下積累更多的磷和花青素[17]。在bhlh32突變體中，花青素合成的關鍵基因DFR的表達量明顯升高[17]，表明BHLH32是花青素合成的一個負調控因子。除此之外，ZAT6[15]，WRKY6[14]，WRKY75[23]和 MYB62[25]等已知的磷相關基因都與花青素的合成或積累有關。表明植物缺磷與花青素積累之間有密切的聯系。

5 展望

當植物缺磷時，一些耐低磷的轉錄因子被誘導，使其下游的靶基因表達量上升或下調，引起這些基因調控的激素水平改變，調控植物發生形態變化，最終適應缺磷環境，達到磷高效利用的目的。盡管已有百余個磷營養效率候選基因相繼被克隆，但其耐低磷脅迫相關機制尚需進一步研究[26]。這些耐低磷脅迫相關的轉錄因子只要有一個發生突變，就會引起其他轉錄因子及一些基因的變化，從而使整個植物的基因調控網絡發生變化，可謂“牽一發而動全身”。研究磷吸收的分子機制是解決磷高效利用、保護環境和減少資源浪費的根本方法。

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