植物應答缺磷脅迫相關轉錄因子研究進展

李越 沈錦純 張琳淳 趙竑博

(華南農業大學園藝學院，廣東 廣州 510642)

1 植物磷的重要性

磷是植物生長發育所需要的大量元素之一，在植物的生長發育中發揮著至關重要的作用，特別在是提高作物品質和產量方面[1,2]。磷是生物膜、蛋白質、磷脂、ATP、核酸的重要組成部分，也是植物中碳水化合物運輸、代謝和脂質代謝不可或缺的成分，在種子萌發、花粉發育和果實等形成的相關過程中發揮著不可替代的功能[3]。由于土壤中有機質和礦物質對磷酸鹽的固定和結合能力強，特別是在熱帶和亞熱帶地區的強風化酸性土壤中，使植物對這類被固定結合的磷酸鹽的利用非常有限，導致土壤中有效磷含量少，限制耕地特別是酸性土壤上作物的生產[4]。為了解決土壤中磷含量低的問題，植物進化出了一系列適應的策略，以提高獲取和使用磷的效率。在植物根系中，這些對缺磷的多種適應策略主要包括利用替代代謝途徑減少ATP的消耗；刺激根系的生長以及加強與叢枝菌根真菌的同生關系；增強根介導的有機酸和紫色酸性磷酸酶分泌物，以獲得少量可溶性磷源；增多磷轉運體，以提高磷的吸收和轉運[4-6]。

當前，植物響應缺磷脅迫相關的轉錄因子研究成為熱點。本文對植物缺磷脅迫下相關轉錄因子的調控機制及其與激素調控、根系生長發育、花青素積累等方面的相互關聯進行了綜述，以期對深入研究植物應答缺磷脅迫奠定理論基礎。

2 植物缺磷脅迫對根系生長發育的影響

2.1 缺磷脅迫下植物根系形態結構的變化

植物的根系是最先感受外界磷濃度變化的器官，因為植物根系一直暴露在干旱和營養缺乏等快速變化的環境中[7]。為了適應這些不斷變化的環境，植物通過調整根系的生長和形態結構來提高根系吸收外界水分和各種營養成分的利用效率[7]。根分生組織的活性是決定根生長和結構的關鍵因素，根的生長和發育需要干細胞不斷產生新的細胞，而這些干細胞的子代在分生區迅速分裂，進入伸長或分化區，并開始分化[7-9]。

相關調查顯示，在磷缺乏的條件下，植物的側根和根毛生長變得旺盛，從而增大根系與土壤間的接觸表面積，進一步提高了植物根系從土壤中吸收磷的效率，促進了植株的生長發育[9]。如，缺磷脅迫下的落葉松苗與對照組相比，地上部分生長較弱，生物積累量減少，根冠比卻增加了[10]。在擬南芥中，缺磷會導致根系變短，側根增多；在嚴重缺磷時，根的鮮重顯著下降，但根冠比卻反而上升，這是因為在中度和重度缺磷的情況下，其地上部鮮重顯著減少，分別比對照組減少40%和70%[11]。玉米在缺磷情況下減少了原生根、側根長度，降低了冠根軸向根的長度以及降低了根長的密度和長度[12]。在水稻中，不同的磷濃度對水稻生物量的影響效果明顯[12]。隨著磷濃度的下降，地上部的生物量和根系長度逐步下降[13]。在水稻中，缺磷導致水稻的主根伸長，其根系的長度與植物吸磷的能力呈正相關[13]。此外，在甜瓜中，缺磷脅迫對根系形態也會產生影響，如缺磷脅迫通過影響光合作用，從而阻礙甜瓜幼苗的生長，降低其干物質的含量；缺磷脅迫也會抑制甜瓜芽中磷的含量，從而阻礙了三磷酸腺苷合酶的活性，進而干擾葉綠體光合電子傳遞鏈上質子和電子的傳遞效率[14]。

2.2 植物缺磷脅迫根系生理生化的影響

在磷缺乏的條件下，植物不僅在根系形態結構上會產生變化，而且可以通過調整生理生化來促進根系對磷素的吸收[15]。如，通過分泌酸性磷酸酶，活化土壤中的有機磷，以提高根系對外部磷素的吸收[16]。

在植物根系中，如果受缺磷脅迫程度較低，那么分泌的酸性磷酸酶活性會有一定的增加，這會加速磷脂的分化并產生大量無機磷，從而促進植物對磷的吸收[16]。土壤中磷含量的降低，酸性磷酸酶活力增加，土壤中磷含量的增加，酸性磷酸酶活力減少，這表明植物根系可以通過調控酸性磷酸酶的含量來應對缺磷脅迫[16,17]。

缺磷脅迫會導致植物根系釋放出一些小分子的有機酸，通過釋放這類有機酸排出酸性介質來激活和分解難處理介質，增加環境中可溶性磷酸鹽等可用營養元素的溶解性和遷移性，從而改善植物對環境的適應性和對不利環境的抗逆性[18,19]。如，在水稻、大米、玉米和柱花草中，缺磷都能誘導檸檬酸的分泌；在大豆中缺磷會誘導蘋果酸和檸檬酸分泌[20]。通過探究表明，根分泌的有機酸參與了土壤的形成，促進了礦物質的溶解；促進植物對營養物質的吸收；改變了物理和化學性質；減少了植物缺氧癥狀和其它對植物有毒物質的毒性；對植物的各種生理和生態過程也有很大的影響，還可以調節植物對不利環境的抵抗力[21]。

3 植物缺磷轉錄因子

轉錄因子也稱為反式作用因子，是指能夠與真核基因的順式作用元件發生特異性相互作用，并對基因的轉錄有激活或抑制作用的DNA結合蛋白[22]。一般植物轉錄因子都由4個功能區組成，即DNA結合區、轉錄調控區、細胞核定位信號區和寡聚化位點[23]。2005年，浙江大學成功克隆出了OsPTF1轉錄因子基因，其是第1個被鑒定出具有提高植物磷利用率的轉錄因子[24]。此后，對植物抗缺磷相關轉錄因子的研究越來越多[25]。迄今為止，在高等植物中已發現大量轉錄因子受磷脅迫影響，主要有WRKY、bHLH、MYB、PHR和ZAT家族[26]。這些轉錄因子對下游的缺磷響應基因有正向或負向的調控，并對植物的磷素信號和磷素穩態產生影響[27]。

3.1 植物缺磷轉錄因子調控機制

3.1.1 植物缺磷正調控轉錄因子

WRKY類轉錄因子對植物缺磷脅迫有積極影響[28,29]。多項研究表明，WRKY家族成員對植物缺磷脅迫有響應。已發現對植物缺磷起正調控的WRKY轉錄因子有擬南芥中的WRKY45、WRKY75，馬尾松中的WRKY164以及水稻中的WRKY74[30-33]。WRKY45會受缺磷脅迫的誘導，因此在擬南芥中，增強表達該基因能促進植株對無機磷的吸收，使植株體內無機磷含量升高，而在該基因干涉植株中無機磷的含量和吸收都下降[30]。在缺磷條件下擬南芥WRKY75表達上調，正調控缺磷誘導基因[31]。當WRKY75被抑制時，參與磷饑餓反應的幾個基因的表達下調，包括編碼磷酸酶、Mt4/tps1樣基因和高親和性磷轉運蛋白的相關基因[31]。在過表達馬尾松中PmWRKY164基因提升了轉基因煙草植株對缺磷的適應能力[32]。在水稻中,WRKY轉錄因子III家族的成員OsWRKY74參與了水稻對磷饑餓耐受性的調控，增強OsWRKY74表達能夠顯著增加水稻對磷饑餓的耐受性，使得OsWRKY74干涉株系對磷饑餓脅迫敏感程度更高[33]。水稻在缺磷的營養液中生長時，增強OsWRKY74表達使得根系和地上部的生物量以及磷含量都比野生型高16%；在土壤盆栽的實驗中，在磷缺乏條件下生長時，增強OsWRKY74表達，水稻分蘗的數目、粒重以及磷含量均要比野生型高24%以上[33]。

bHLH類轉錄因子在缺磷脅迫下對植株也有一定的影響[34]。不同的bHLH成員，如水稻bHLH家族成員OsPTF1，通過轉錄調控一系列缺磷脅迫應答基因來介導植物對磷剝奪的耐受性[34]。也有研究發現，在小麥中轉錄因子TabHLH1對外部缺磷脅迫反應敏感，并通過轉錄調節編碼磷酸轉運蛋白(PT)、硝酸鹽轉運蛋白(NRT)和抗氧化酶的基因來提高對缺磷的耐受性[35]。在煙草中，分別編碼磷酸轉運蛋白和硝酸鹽轉運蛋白的基因NtPT1和NtNRT2.2都在TabHLH1過表達中表達上調；在缺磷條件下，其敲除表達導致植物生長特性惡化、生物量降低和養分積累減少[35]。與野生型相比，TabHLH1過表達的小麥中，編碼超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶的基因NtSOD1、NtCAT1和NtPOD1∶6表達上調，提高抗氧化酶活性，降低小麥中活性氧的積累[35]。

除WRKY和bHLH外，參與植物缺磷脅迫應答過程的轉錄因子還有MYB類[36]。在擬南芥中，一種R2R3型MYB轉錄因子AtMYB62被發現可以通過調控赤霉素代謝和信號轉導來對磷饑餓進行應答，超表達該轉錄因子能夠提高擬南芥對磷素的汲取[37]。在水稻中的研究發現，轉錄因子OsMYB1可作為調節因子參與磷饑餓信號轉導和赤霉素生物合成[37]。除此之外，在擬南芥和水稻中發現，過表達OsMYB2P-1基因賦予轉基因植物更強的耐受性，并在磷缺乏的條件下能激活磷轉運蛋白OsPT6、OsPT8和OsPT10基因的表達[38]。水稻OsMYB4P最近也被證明可以通過激活磷轉運蛋白基因的表達來調節磷饑餓反應[39]。

PHR類轉錄因子與植物缺磷脅迫也有密切的聯系。擬南芥PHR1在缺磷條件下,能夠正向調控PHT1∶1/PT1和PHT1∶4/PT2基因來提高擬南芥從外界獲取磷的能力[40]。在缺磷條件下，phr1突變體的淀粉和糖的含量降低，麥芽糖含量明顯上升[41]。

3.1.2 植物缺磷負調控轉錄因子

除了正向調控轉錄因子外，近來研究表明，植物中存在許多缺磷負向調控轉錄因子，如PHR1、WRKY42、WRKY6、WRKY75、bHLH32等[41-44]。如在擬南芥中，AtPHR1作為磷信號和磷平衡的中心調控轉錄因子，通過與下游基因啟動子中的P1BS(PHR1 binding site)順式作用元件的結合從而來調控下游基因的表達，以響應植物缺磷[41]。擬南芥中AtWRKY42和AtWRKY6與缺磷調控基因AtPHO1結合，通過抑制AtPHO1表達，負調控磷轉運[42,43]。敲除AtWRKY42的擬南芥突變體對缺磷脅迫更為敏感，其嫩枝含磷量低于野生型[42]。也有研究發現，擬南芥WRKY6轉錄因子參與缺磷脅迫響應過程[43]。在擬南芥中，WRKY6通過調控磷酸鹽轉運蛋白PHO1的表達來參與調節植物體內磷素的平衡[43]。WRKY6通過結合PHO1啟動子區域的W-box元件，抑制PHO1的表達；而在缺磷的情況下，WRKY6蛋白被降解，不能與PHO1啟動子區域的W-box元件結合，清除了對PHO1的抑制作用，從而增加了植物對磷元素的利用率[43]。Fan等研究表明，在擬南芥缺磷處理后，WRKY75也會負調控根系的發育[40]。

在缺磷條件下水稻中也存在負向調控轉錄因子。水稻bHLH類轉錄因子參與耐缺磷的OsPTF1基因的表達，該基因在根和側根的韌皮部被誘導表達[44]。bHLH32也是磷酸饑餓反應的負調控基因，在磷充足的條件下，bhlh32突變體的根毛數量、花青素積累量和磷總含量均顯著高于野生型，其分子機制是受bHLH32負調控的基因可以編碼PPCK，而PPCK在調控代謝時會導致磷的消耗[44]。

3.2 植物缺磷相關轉錄因子與根系生長發育

在磷缺乏的條件下，植物通過調節缺磷相關轉錄因子來影響根系生長發育。有報道發現，擬南芥WRKY75受磷饑餓誘導，wrky75基因干涉植株對磷的吸收能力下降，但其側根變長，根毛旺盛[31]。過表達WRKY42促進了擬南芥對磷的吸收，導致根部磷含量的增加；而在wrky42突變體中，磷的吸收能力下降導致根中磷含量降低[42]。研究發現，水稻WRKY74受磷饑餓誘導，在過表達OsWRKY74的植株的根系中，磷饑餓響應基因的表達模式也發生了改變[33]。

PHRs家族成員增強表達能誘導下游磷饑餓誘導基因的表達，導致地上部磷積累和水稻根毛伸長；突變phrs基因以后，水稻中磷饑餓誘導基因的表達上調受到抑制，同時缺磷誘導引起的根毛伸長也被抑制[45,46]。在磷缺乏的條件下，phr1 phl1的雙突變體根毛的伸長受到抑制，而且比phr1單突變體的抑制效果更強[40]。

MYB家族中，在擬南芥幼苗時期的葉片中發現AtMYB62受到了缺磷誘導，其超表達還可以增加主根的長度[37,38]。OsMYB1除了調控磷酸鹽轉運蛋白基因的表達之外，對赤霉素合成相關基因以及在赤霉素的生物合成也有一定程度的調節作用，進而調控在不同含量磷處理下根的發育以及磷素動態平衡[37]。在缺磷情況下，OsMYB2對初生根伸長發揮積極作用[38]。

在擬南芥中，定位于細胞核的ZAT6在缺磷條件下被誘導[48]。ZAT6的干涉植株中磷含量減少，其過表達影響根的發育并延緩幼苗生長[48]；ZAT6的過表達導致了植物根結構的改變，從而改變了磷含量。這些結果表明ZAT6調節根的發育，從而影響磷的獲得和體內平衡[48]。

3.3 植物缺磷轉錄因子與缺磷脅迫下花青素積累的調控

在缺磷條件下，植物通過調節缺磷相關轉錄因子調控花青素積累[44]。如，WRKY轉錄因子參與了缺磷反應信號通路，WRKY轉錄物的減少會停止基因表達反應，導致磷攝取減少，使得花青素在早期積累[49]。

第1個被報道參與調控磷酸鹽饑餓反應的WRKY家族成員是AtWRKY75[31]。在缺磷處理過程中，該轉錄因子在擬南芥中被強烈誘導，通過RNAi沉默抑制，使得磷脅迫更容易影響植株生長，并影響到了花青素早期的積累[31]。在擬南芥缺磷時，WRKY6增強表達材料葉片的花青素積累高于野生型且呈現褐色，AtPHR1的功能缺失會延緩擬南芥缺磷誘導的花青素積累，并抑制一些缺磷響應基因的表達[40,43]。在缺磷條件下，PHR1過量表達促進了擬南芥花青素的積累，而WRKY75過表達降低了花青素積累；phr1突變體中磷吸收能力及花青素積累均下降，而在擬南芥wrky75突變體中磷的吸收沒有明顯影響,花青素的積累升高[40]。在衰老葉片中，wrky75突變體中磷含量比野生型高[40]。缺磷條件下，超量表達phr1 wrky75擬南芥植株表現為花青素積累增加，phr1 wrky75雙突變體表現為花青素積累減弱，這些結果顯示WRKY75基因過量表達及突變對花青素的影響是通過調控PHR1基因來實現的[40]。bHLH32在缺磷條件下會對植物產生負調控，有功能缺陷的突變體bhlh2在一般情況下積聚了比較多的花青素以及磷[34]。bhlh2突變體中，花青素合成的關鍵基因DFR表達明顯上調，說明花青素合成的負調控因子是bHLH32[34]。

4 展望

轉錄因子在調節植物適應逆境過程中起到了重要的作用，可以調控許多與抗逆相關基因的表達，改善植物的抗逆性。植物的抗逆性狀通常是多基因控制的數量性狀，多個轉錄因子家族均與植物的抗逆性有重要關系，逆境的抗性機理也漸漸成為了重點的研究內容[50]。

當前，植物應答缺磷脅迫相關轉錄因子備受矚目。為了應對包括磷脅迫在內的環境脅迫，植物體內多個基因參與脅迫響應過程，從而促進了植物脅迫耐受性[50]。在分子水平上理解植物對磷脅迫的反應機制是至關重要的，因為研究人員可以通過基因工程來利用這些反應機制提高植物的脅迫耐受性，從而提高作物生產力[29]。本綜述強調了PHR、MYB、ZAT、WRKY和bHLH家族的關鍵植物轉錄因子的作用。這些轉錄因子家族的成員通過順式元件、脫氧核糖核酸甲基化和其它附加因素在提供對多種非生物脅迫的耐受性方面起著至關重要的作用。此外，考慮到轉基因植物是分子育種計劃中的候選基因，需要進行田間試驗來驗證轉基因植物的生長，并最終引導育種者開發出對磷脅迫具有抗性的作物品種[29]。