擬南芥和小麥中磷的利用機制研究進展

蘇志芳 王海偉 郝水源

（河套學院農學系，內蒙古 臨河 015000）

磷（phosphorus，P）是植物生長和生產的必需常量營養素。 P缺乏在全球范圍農作物中普遍存在。據估計，世界上可耕地面積的30%～40%的作物產量受到無機磷（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年來收集的數據進行的分析顯示，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在全球范圍內分布也并不均勻，而且全球P儲備并不是均勻分布的。國內外專家們普遍認為，世界范圍內的農作物正面臨P危機。總之，這些問題表明在未來幾年內，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運輸和調節機制將對提高P吸收效率和作物產量有重大意義。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量，但磷肥使用粗放導致全球約37%的小麥地區產量停滯[7]。解決這一問題需要更好地了解作物如何調節P穩態。在過去的幾十年中，人們主要研究了擬南芥中P轉運和分布的分子調控機制。然而，對小麥等重要的農作物的研究缺少突破性進展，小麥是人類食物中卡路里和蛋白質的主要來源。本文通過介紹近年來得到的擬南芥中Pi的利用機制研究，結合小麥中Pi運輸的研究的最新進展。對調節Pi運輸及其在谷物中積累的分子機制進行綜合介紹。

1 擬南芥和小麥中磷酸鹽的吸收和轉運

根系吸收Pi后，調節因子和轉運蛋白通過上調P穩態增加Pi的利用能力，在小麥中已經鑒定出許多Pi轉運蛋白，然而，這些轉運蛋白的功能最初來自于擬南芥的研究結果。在擬南芥中，Pi轉運蛋白（PHT）的基因家族通過其亞細胞定位和功能特性分為五個組（PHT1、PHT2、PHT3、PHT4 和 PHT5）。 其中PHT1亞家族的質膜結合蛋白主要負責擬南芥中的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運蛋白，PHT4轉運蛋白位于高爾基體。PHT5/VPT/SPX-MFS蛋白位于液泡[9]。Pi也在根細胞外轉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從根到芽的轉移[10,11]。Shin,H（2004）和 Stefanovic,A（2007）發現，PHT1 和 PHO1部分亞基的突變導致擬南芥中Pi的積累減少[12,13]，證明了這些Pi轉運蛋白在Pi吸收和Pi轉運到芽過程中的重要性。小麥Pi轉運蛋白與擬南芥Pi轉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轉運中缺陷的酵母突變體互補來驗證和鑒定小麥Pi轉運蛋白候選物[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錄本在Pi限制的根和芽中表達增加。小麥基因組中TaPHT1成員復雜，Davies,T等（2002）同時進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[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[18]。在Pi缺乏條件下，PHT1成員TaPT2體現出了高親和力。Guo,C等（2013）研究發現，TaPHT2.1的下調能使Pi積累顯著降低，表明與其他PHT相關，表明細胞內Pi轉運機增強對植物Pi攝取效率產生影響。與已知擬南芥的數據相比，小麥Pi轉運蛋白的調控還有待更深入的研究。還發現除了其在Pi攝取中的作用外，TaPHT2.1還承擔著從胞質到葉綠體的P信號的傳導的作用[19]。是否其他Pi轉運蛋白也有類似功能還有待研究，小麥中的任何Pi轉運蛋白是否可以發揮額外的轉錄作用也需要深入研究，具有雙重營養轉運功能的膜蛋白，如PHO1或氮轉運蛋白NRT1已經被確認[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錄本豐度體現出差異表達。此外，最近發現在水培和田間生長的植物組織中，小麥PHT1亞家族基因的表達譜與順式作用啟動子元件的存在相關[21]。

2 擬南芥和小麥中磷酸鹽敏感信號的傳導

植物如何感知和傳導缺磷信號是一個研究熱點。在擬南芥中，已經發現Pi的饑餓信號傳導途徑SPX1-PHR1-miR399-PHO2-PHT1/PHO1。Misson,J等（2004）發現編碼SPX蛋白的關鍵基因轉錄在P缺乏條件下上調[22]。SPX1在Pi存在下與轉錄因子PHR1相互作用并在Pi缺乏下解離。PHR1調節許多Pi相關基因，例如最終靶向磷酸鹽2（PHO2）轉錄物的miRNA399。 PHO2蛋白的降低導致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，例如SUMO E3連接酶SIZ1，磷酸轉運蛋白轉運因子1（PHF1），和氮限制適應（NLA）。SIZ1通過SUMO化參與PHR1的調節。NLA在質膜上指導PHT1s的降解[24]。將磷轉運蛋白運輸到質膜需要PHF1[25]。這是植物Pi吸收能力的微調過程。

在關于小麥的研究中，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錄譜進行分析[26]。結果顯示不同的器官通過調節Pi的分配來適應在有限的Pi源，以提高磷利用率。Oono,Y.（2013）研究發現，六倍體小麥的磷饑餓信號參與的基因很少[27]，例如擬南芥轉錄因子PHR1的直向同源物，在小麥中調節Pi信號傳導和植物生長的功能。在Pi充足和缺乏條件下，TaPHR1-A1同源物的過表達適度上調整株植物中TaPHR1的表達水平，導致葉Pi濃度適度增加，從而避免產生毒性。通過增加根尖數，側根長度和TaPHTs表達 （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、分布和植物生長產生不同的影響。Ouyang,X等（2016）人發現在tapho2-d1突變體中，TaPHO2的總體表達嚴重降低，在有限的Pi條件下導致總芽P升高，但生長和產量出現抑制。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突變體表現出增加P積累以及谷物產量的作用。鑒于這些數據，已經提出TaPHO2-D1參與Pi穩態以維持植物生長而不是簡單的只參與Pi饑餓信號傳導途徑[30]。Pi饑餓信號傳導途徑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應激反應的分子機制是通過特異性誘導發生的，而不是在已知改變Pi穩態的其他應激模式下誘導的。這些研究表明存在另外調節植物中Pi含量的未知基因和途徑。例如，現在已經確定，當植物受到鋅限制時，植物中的Pi含量會發生變化。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供應導致小麥產量的損失[31]。我們對于在缺鋅期間建立的控制Pi穩態的調節網絡知之甚少。研究Zn/Pi穩態相互作用可能會發現控制植物Pi穩態的新基因和途徑。將來也許會通過擾亂Zn缺乏信號的傳導從而間接調節Pi的利用。

3 種子中的磷酸鹽

種子中營養物質的前期積累對種子的活力和萌發很重要。由于PA被認為是一種抗營養素，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攝取及其在植物細胞內外運輸機制，但是種子中的Pi運輸卻很少受到關注。目前對種子特異性PHT作用的了解很少。在種子中，營養物質通過各種途徑在不同的發育階段到達胚胎。為了保證種子生產和質量，需要將營養物從母體種皮轉移到胚乳。近期研究發現，PHO1基因在擬南芥的種皮合點表達，表明P在發育種子中從種皮轉移到胚胎中的作用[32]。同樣，PHO1突變體擾亂從種皮到胚胎的Pi轉移。該觀察和實驗數據表明了對種子中Pi運輸進行深入研究可能有助于了解調節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礦物質的生物利用度，如Zn[33]。因此，通過育種或生物技術方法使谷物中PA減少被認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素保留。低PA作物的產生可以通過靶向PA生物合成基因或轉運來實現[22]。通過研究低PA谷物，其它轉運蛋白家族的功能也逐漸被發現。例如，水稻Pi轉運蛋白OsPHT1.8的減少降低胚胎和成熟谷粒中PA積累[34]。硫酸鹽轉運蛋白也涉及谷物PA和P含量調節。通過圖位克隆發現的硫酸鹽轉運蛋白，稱為OsSULTR3，它們參與了谷物發育中Pi和PA的構成變化[35]。隨后，另一種名為類似SULTR磷分布轉運蛋白（SPDT）的硫酸鹽轉運蛋白家族基因已經證明參與了P的維管間的轉移，特別是將P從木質部轉向韌皮部[35]。這些研究表明，節點定位轉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部與根部再循環而發生的，以及在不同的P-體系下植物器官之間P的轉移程度是多少。在小麥中，只有兩個重要的轉基因研究，包括TaPHR1-A1的過表達和敲除TaPHO2-A1，能夠在低Pi條件下增強的P吸收和谷物產量[30]。有理由推測，操縱這些與Pi相關的調節基因還有待發現。

4 結論

目前對小麥如何維持P穩態并調節Pi濃度的機制研究甚少。改善小麥Pi營養需要充分了解從營養組織到P利用的分子調節機制。需要確定參與不同谷物組織之間的Pi獲取、轉運、動員、胚胎發育的基因。盡管通過經典分子方法發現了一些攝取Pi轉運蛋白，但轉錄和轉錄后水平的調節機制仍然不確定。此外，通過系統生物學工具授權的組學方法 （如RNA-seq）的適當組合將有助于發現調節小麥不同發育階段的磷積累的調節途徑。掌握這些環節對于將來培育出能高效利用和調節磷的作物品種具有非常重要的意義。據報道，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系統，引發富營養化等生態問題。 因此，過量使用磷肥不僅是不可持續的做法，而且對生態也不利。因此，繼續深入研究Pi營養利用機制無論對農業生產還是生態環境都是很有必要的。