拟南芥和小麦中磷的利用机制研究进展

苏志芳 王海伟 郝水源

（河套学院农学系，内蒙古 临河 015000）

磷（phosphorus，P）是植物生长和生产的必需常量营养素。 P缺乏在全球范围农作物中普遍存在。据估计，世界上可耕地面积的30%～40%的作物产量受到无机磷（inorganic phosphorus，Pi）生物利用度的限制。植物对Pi的可用性低有许多原因，例如Pi（HPO42-）与土壤阳离子如锌（Zn2+）或铁（Fe2+）形成不溶性复合物[1-3]。此外，Pi储量不断减少是全球需要面临的问题。 Lott,J（2011）和 Walan,P（2014）等对 14年来收集的数据进行的分析显示，全球磷肥的使用量大约以357,000t/年的速度增长 （即每年增加2.4%）[4,5]。同时，P在全球范围内分布也并不均匀，而且全球P储备并不是均匀分布的。国内外专家们普遍认为，世界范围内的农作物正面临P危机。总之，这些问题表明在未来几年内，提高Pi的可用性可能比提高世界粮食安全更值得研究。研究植物的Pi运输和调节机制将对提高P吸收效率和作物产量有重大意义。因此，通过了解作物Pi的吸收利用机制继而提高Pi的利用率是目前很多研究人员主要解决的问题。

植物根部吸收的大约75%的Pi能被组织利用，并且在种子中以植酸（Phytic acid，PA）的形式储存[6]。虽然施加磷肥能增加小麦等谷类作物的产量，但磷肥使用粗放导致全球约37%的小麦地区产量停滞[7]。解决这一问题需要更好地了解作物如何调节P稳态。在过去的几十年中，人们主要研究了拟南芥中P转运和分布的分子调控机制。然而，对小麦等重要的农作物的研究缺少突破性进展，小麦是人类食物中卡路里和蛋白质的主要来源。本文通过介绍近年来得到的拟南芥中Pi的利用机制研究，结合小麦中Pi运输的研究的最新进展。对调节Pi运输及其在谷物中积累的分子机制进行综合介绍。

1 拟南芥和小麦中磷酸盐的吸收和转运

根系吸收Pi后，调节因子和转运蛋白通过上调P稳态增加Pi的利用能力，在小麦中已经鉴定出许多Pi转运蛋白，然而，这些转运蛋白的功能最初来自于拟南芥的研究结果。在拟南芥中，Pi转运蛋白（PHT）的基因家族通过其亚细胞定位和功能特性分为五个组（PHT1、PHT2、PHT3、PHT4 和 PHT5）。 其中PHT1亚家族的质膜结合蛋白主要负责拟南芥中的Pi摄取[8]。而PHT2蛋白定位于叶绿体中，PHT3/MPT蛋白主要是线粒体膜转运蛋白，PHT4转运蛋白位于高尔基体。PHT5/VPT/SPX-MFS蛋白位于液泡[9]。Pi也在根细胞外转运到不同的植物器官并分配。磷酸盐1（phosphorous salts1，PHO1）基因家族含有 11 个 Pi输出蛋白，主要参与Pi从根到芽的转移[10,11]。Shin,H（2004）和 Stefanovic,A（2007）发现，PHT1 和 PHO1部分亚基的突变导致拟南芥中Pi的积累减少[12,13]，证明了这些Pi转运蛋白在Pi吸收和Pi转运到芽过程中的重要性。小麦Pi转运蛋白与拟南芥Pi转运蛋白的基因组序列相似[14]可以通过在拟南芥中评估其遗传功能或通过与Pi转运中缺陷的酵母突变体互补来验证和鉴定小麦Pi转运蛋白候选物[15,16]。

小麦基因组含有很多TaPHT成员，可分为四个亚家族：PHT1 （TaPHT1.1～1.13），PHT2（TaPHT2.1），PHT3（TaPHT3.1～3.3）和 PHT4（TaPHT4.1～4.6）。 众多研究表明他们的转录本在Pi限制的根和芽中表达增加。小麦基因组中TaPHT1成员复杂，Davies,T等（2002）同时进行了表征两种小麦基因型（KN9204和SJZ8）中参与P摄取的特定成员的作用的实验。在不同的Pi条件下，在不同的小麦品种中观察到高亲和力TaPHTs的差异表达[17]。在田间条件下施加不同比例的P后，TaPHT1.1,1.2,1.9和1.10在开花和茎伸长时P的摄取呈正相关[18]。在Pi缺乏条件下，PHT1成员TaPT2体现出了高亲和力。Guo,C等（2013）研究发现，TaPHT2.1的下调能使Pi积累显著降低，表明与其他PHT相关，表明细胞内Pi转运机增强对植物Pi摄取效率产生影响。与已知拟南芥的数据相比，小麦Pi转运蛋白的调控还有待更深入的研究。还发现除了其在Pi摄取中的作用外，TaPHT2.1还承担着从胞质到叶绿体的P信号的传导的作用[19]。是否其他Pi转运蛋白也有类似功能还有待研究，小麦中的任何Pi转运蛋白是否可以发挥额外的转录作用也需要深入研究，具有双重营养转运功能的膜蛋白，如PHO1或氮转运蛋白NRT1已经被确认[11]。除了PHT2成员，报告显示TaPHT3的和在Pi耗尽的根和芽下的四个转录本丰度体现出差异表达。此外，最近发现在水培和田间生长的植物组织中，小麦PHT1亚家族基因的表达谱与顺式作用启动子元件的存在相关[21]。

2 拟南芥和小麦中磷酸盐敏感信号的传导

植物如何感知和传导缺磷信号是一个研究热点。在拟南芥中，已经发现Pi的饥饿信号传导途径SPX1-PHR1-miR399-PHO2-PHT1/PHO1。Misson,J等（2004）发现编码SPX蛋白的关键基因转录在P缺乏条件下上调[22]。SPX1在Pi存在下与转录因子PHR1相互作用并在Pi缺乏下解离。PHR1调节许多Pi相关基因，例如最终靶向磷酸盐2（PHO2）转录物的miRNA399。 PHO2蛋白的降低导致PHT1和PHO1蛋白的增加，从而提高了植物吸收Pi的能力，并将Pi转移到枝条中[23]。值得注意的是，这种信号通路的正常功能需要许多其他基因的贡献，例如SUMO E3连接酶SIZ1，磷酸转运蛋白转运因子1（PHF1），和氮限制适应（NLA）。SIZ1通过SUMO化参与PHR1的调节。NLA在质膜上指导PHT1s的降解[24]。将磷转运蛋白运输到质膜需要PHF1[25]。这是植物Pi吸收能力的微调过程。

在关于小麦的研究中，Aziz,T等（2014）在Pi缺乏条件下，对中国80-55（P-高效品种）和Machete（低效品种）两个品种的根和芽中的Pi分配模式的基因的转录谱进行分析[26]。结果显示不同的器官通过调节Pi的分配来适应在有限的Pi源，以提高磷利用率。Oono,Y.（2013）研究发现，六倍体小麦的磷饥饿信号参与的基因很少[27]，例如拟南芥转录因子PHR1的直向同源物，在小麦中调节Pi信号传导和植物生长的功能。在Pi充足和缺乏条件下，TaPHR1-A1同源物的过表达适度上调整株植物中TaPHR1的表达水平，导致叶Pi浓度适度增加，从而避免产生毒性。通过增加根尖数，侧根长度和TaPHTs表达 （根中的TaPHT1.2和芽中的TaPHT1.6）增加了Pi吸收[28]。还提出了六倍体小麦中有拟南芥PHO2直系同源物的存在[29]。

对来自同源组1（A1，B1和D1）的三个 TaPHO2基因的各突变体对P摄取、分布和植物生长产生不同的影响。Ouyang,X等（2016）人发现在tapho2-d1突变体中，TaPHO2的总体表达严重降低，在有限的Pi条件下导致总芽P升高，但生长和产量出现抑制。这与在单子叶植物（例如水稻）和双子叶植物（例如拟南芥）的PHO2突变体中观察到的表型类似。但敲除突变植物tapho2-a1后，TaPHO2表达减少，在足够和缺乏P条件下，叶片中总P和Pi水平仅有适度增加。与tapho2-d1突变体不同，tapho2-a1突变体表现出增加P积累以及谷物产量的作用。鉴于这些数据，已经提出TaPHO2-D1参与Pi稳态以维持植物生长而不是简单的只参与Pi饥饿信号传导途径[30]。Pi饥饿信号传导途径PHR1-IPS1-miR399-UBC24/PHO2-PHT1/PHO1在许多植物物种中是保守功能性的。如何利用该途径是改善作物中Pi利用的重要策略。

在Pi缺乏条件下，这些参与Pi应激反应的分子机制是通过特异性诱导发生的，而不是在已知改变Pi稳态的其他应激模式下诱导的。这些研究表明存在另外调节植物中Pi含量的未知基因和途径。例如，现在已经确定，当植物受到锌限制时，植物中的Pi含量会发生变化。在单一Zn胁迫下，与在P-Zn同时胁迫下生长的植物相比，过量的Pi供应导致小麦产量的损失[31]。我们对于在缺锌期间建立的控制Pi稳态的调节网络知之甚少。研究Zn/Pi稳态相互作用可能会发现控制植物Pi稳态的新基因和途径。将来也许会通过扰乱Zn缺乏信号的传导从而间接调节Pi的利用。

3 种子中的磷酸盐

种子中营养物质的前期积累对种子的活力和萌发很重要。由于PA被认为是一种抗营养素，如何增加谷物中的Pi含量同时降低PA已引起人们研究兴趣。目前国际上主要研究Pi摄取及其在植物细胞内外运输机制，但是种子中的Pi运输却很少受到关注。目前对种子特异性PHT作用的了解很少。在种子中，营养物质通过各种途径在不同的发育阶段到达胚胎。为了保证种子生产和质量，需要将营养物从母体种皮转移到胚乳。近期研究发现，PHO1基因在拟南芥的种皮合点表达，表明P在发育种子中从种皮转移到胚胎中的作用[32]。同样，PHO1突变体扰乱从种皮到胚胎的Pi转移。该观察和实验数据表明了对种子中Pi运输进行深入研究可能有助于了解调节P积累的机制。

在小麦中，成熟谷粒含P占总枝条P的90%以上，其中20%～90%来自于其它组织。PA占总重量的1%～2%。随着施P量的增加，籽粒中的P和PA浓度均增加。PA浓度的增加大大降低了小麦籽粒中其它营养矿物质的生物利用度，如Zn[33]。因此，通过育种或生物技术方法使谷物中PA减少被认为是不错的研究方案。减少谷物中的PA可以提供双重增益，减少谷物磷损失和更多的微量营养素保留。低PA作物的产生可以通过靶向PA生物合成基因或转运来实现[22]。通过研究低PA谷物，其它转运蛋白家族的功能也逐渐被发现。例如，水稻Pi转运蛋白OsPHT1.8的减少降低胚胎和成熟谷粒中PA积累[34]。硫酸盐转运蛋白也涉及谷物PA和P含量调节。通过图位克隆发现的硫酸盐转运蛋白，称为OsSULTR3，它们参与了谷物发育中Pi和PA的构成变化[35]。随后，另一种名为类似SULTR磷分布转运蛋白（SPDT）的硫酸盐转运蛋白家族基因已经证明参与了P的维管间的转移，特别是将P从木质部转向韧皮部[35]。这些研究表明，节点定位转运蛋白可能影响谷粒中P的积累。

尽管如此，对小麦总P和PA进行的研究很少。目前尚不清楚P向谷物的运输是直接从韧皮部还是通过木质部与根部再循环而发生的，以及在不同的P-体系下植物器官之间P的转移程度是多少。在小麦中，只有两个重要的转基因研究，包括TaPHR1-A1的过表达和敲除TaPHO2-A1，能够在低Pi条件下增强的P吸收和谷物产量[30]。有理由推测，操纵这些与Pi相关的调节基因还有待发现。

4 结论

目前对小麦如何维持P稳态并调节Pi浓度的机制研究甚少。改善小麦Pi营养需要充分了解从营养组织到P利用的分子调节机制。需要确定参与不同谷物组织之间的Pi获取、转运、动员、胚胎发育的基因。尽管通过经典分子方法发现了一些摄取Pi转运蛋白，但转录和转录后水平的调节机制仍然不确定。此外，通过系统生物学工具授权的组学方法 （如RNA-seq）的适当组合将有助于发现调节小麦不同发育阶段的磷积累的调节途径。掌握这些环节对于将来培育出能高效利用和调节磷的作物品种具有非常重要的意义。据报道，施用于土壤的磷肥仅有20%～30%被植物利用。剩余的Pi可能会有部分渗入水生生态系统，引发富营养化等生态问题。 因此，过量使用磷肥不仅是不可持续的做法，而且对生态也不利。因此，继续深入研究Pi营养利用机制无论对农业生产还是生态环境都是很有必要的。