植物磷匮乏下的根系、代谢和分子响应研究进展

惠乾龙，叶文彬，郭晋隆，袁照年，许莉萍

（福建农林大学/农业农村部福建甘蔗生物学与遗传育种重点实验室，福州 350002）

0 引言

磷既是核酸、蛋白质、脂质等生物大分子的重要组成成分，同时，还参与光合作用、核苷酸合成、信号转导以及能量传递等多种代谢过程，因此，磷是植物生长至关重要的大量元素之一，但同时又是不可再生的资源。前人研究显示用于农业生产的耕地土壤中，每千克土壤中全磷含量高达0.2～1.1 g[1]，但植物可利用的有效磷即无机磷酸根离子的含量却较低，一般仅为全磷的0.1%[2]，主要是由于磷固化而成为了闭蓄态的磷——无机态磷和有机态磷，这导致了植物难以吸收。根据2010年的报道[3]，我国1.07×108hm2耕地中，磷匮乏耕地（0.7×108hm2）占比超过65%，同时，大约30%耕地土壤有效磷含量仅为3～5 mg/kg，因此，磷匮乏已成为限制作物高产的一个主要因素。低磷胁迫下，植物根系不发达、植株生长缓慢、矮小且瘦弱，同时生育期延迟，并最终导致农作物减产30%～40%[2]。甘蔗种植地也普遍磷匮乏，导致分蘖减少、单茎重下降和和总有效茎下降[4]。生产上主要通过施用磷肥补充土壤有效磷的不足，以满足作物正常生长发育的需要，但是，磷却是不可再生的资源。有幸的是，植物基因型之间存在利用效率的差异[4-6]。因此，研究植物对低磷胁迫的响应与适应机制一直是研究的热点，在栽培中有助于作物磷养分管理，在育种上有助于作物耐低磷种质资源的筛选和耐低磷或磷高效利用品种的培育，目标是提高农业生产中磷的利用效率和低磷适应性，减少低磷胁迫下作物的产量损失以及过量施用磷肥导致的水体富营养化。

1 植物根系统对磷匮乏的响应

磷是植物正常生长发育离不开的大量元素之一，农田土壤是植物吸取磷的主要供体。在耕地土壤中，全磷含量多数比较充足，但大部分是植物难以吸收利用的闭蓄态磷——无机态磷和有机态磷。根系作为植物从土壤中吸取磷素营养的关键部位，在植物受到磷匮乏胁迫时，也自然成为植物感知这一胁迫发生的关键部位。研究表明，当植物根系感受到胁迫时，可通过改变自身结构或者调节其体内代谢速度，如通过主根生长的促进或者抑制、侧根长度与数量的增减、根毛的形成与否、内源激素含量及有机酸分泌的变化等，以维持自身的正常生长[7-8]。前人在研究水稻[9]和小麦[10]对低磷胁迫的响应时，发现植物会通过改变根系形态特征、增加根际H+和根系有机酸的分泌量，对土壤磷的活化作用增强，从而提高其根际有效磷含量，以便缓解低磷胁迫对植物生长的影响。根系统构型影响植物获得磷的能力，这成为植物不同基因型之间磷耐受性差异的原因之一[7]，同时，外部土壤中磷的供应状态也会影响根构型。但是，最近在杉木上有关H+外排的研究[11]并不完全支持该观点，而是认为H+外排是一种应激反应，根系分泌H+以提高其适应低磷胁迫能力，但先决条件是：土壤环境中必须有难溶性磷的存在。不过，随着低磷胁迫时间的延长，植物根系H+呈现内吸现象，在酸性环境中，杉木是通过H+内流来适应低磷胁迫的[11]。低磷胁迫对根系形态的影响，一般情况下，表现为根系参数如总根长、总根表面积等显著降低，同时主根长度减少，而侧根密度、数量和细根比例增加，不过根系的平均直径降低[12-13]。栗振义[14]研究了苜蓿低磷胁迫的表型，显示地上部和地下部的生长均受到抑制，但根冠比显著提高，同时根系酸性磷酸酶活性和分泌有机酸明显增加，以此应对低磷环境。周建朝等[15]利用沙培和水培研究了甜菜苗期对低磷胁迫的响应，发现其根形态特征有明显变化，根长和根冠比都显著提高，且耐低磷基因型提高幅度更大，同时，低磷胁迫还导致了根系分泌的草酸和乳酸等物质增加，且只有耐低磷的品种其分泌的草酸和乳酸才显著提高。其中，有关根系分泌物参与土壤磷的活化作用已有较为深入的研究，并已有针对该领域的进展评述[16]；有关低磷胁迫下地下部根长、根冠比、根生物量和根系构型已作为评价作物耐低磷的部分指标，并用于水稻[17]、谷子[6]等作物种质资源的筛选。同时，根系的生长与构型也会发生变化，以适应低磷环境。研究显示低磷胁迫下，谷子根系保护酶活性的提高，对提高谷子低磷胁迫的适应性具有重要作用[6]；低磷胁迫使棉花细根比例增加，磷高效基因型细根比例增加幅度大，并通过降低根系总体细度，促使比根长增加，提高根系的构建效率以适应低磷胁迫[18]。那么，对于低磷胁迫，植物根系具体是如何感知和适应的呢？孙海国等[19]对小麦根系感受磷匮乏胁迫响应进行了研究，发现小麦根系任何部位均可感知磷匮乏环境的存在。SVISTOONOFF等[20]在拟南芥适应低磷环境的研究中，发现其根尖组织是拟南芥生长和感应低磷状况的部位。尽管已经明确了植物根系是植物感知磷匮乏环境中的关键部位，那么植物又是如何适应这一环境变化的呢？研究表明，当植物受到一定程度的磷匮乏胁迫时，会通过自发形成的一系列生理、生化活动，如光合作用降低、激素合成变化、活性氧减少、有机酸合成增加以及根系抗氧化酶系统活性的提高等，来维持自身的正常生长发育[7]。

2 植物激素和磷酸酶对磷匮乏的响应

2.1 植物激素的合成与低磷胁迫响应

激素的合成及利用贯穿植物胚胎发育至生长成熟、衰老及死亡的整个生活史，激素还是一种重要的植物响应逆境的信号物质，并在植物对磷匮乏胁迫的响应中发挥重要作用[21]。如在低磷条件下，植物生长素的合成、运输以及信号传导，都对其根系形态的改变发挥重要作用，因此，与根构型重塑密切相关[22]。进一步研究显示，植物可通过生长素的合成抑制其主根的生长，从而促进侧根的生长来适应低磷环境[23]。萜类化合物赤霉素能够在生长素的作用下，调节植物根器官的伸长，以适应低磷环境[24]。研究还显示，在低磷处理条件下，GA3和ABA 的合成与积累较正常供磷显著增加，这与IAA 正调控植物响应低磷胁迫的情况相同[25-26]。对拟南芥根系外施乙烯合成前体或者乙烯抑制剂，虽无法促进拟南芥侧根的生成，却可有效改善拟南芥主根及根毛的形成，进而更为有效地适应低磷环境[27]。前人研究显示，乙烯可以正向调控低磷诱导的拟南芥根表面AtPAP10基因转录，并使得酸性磷酸酶活性提高，但张烨[28]的研究却表明，低磷胁迫环境下，乙烯不影响AtPAP10基因的表达及其蛋白的积累，但能影响AtPAP10 蛋白的分泌和活性的调节过程，同时，乙烯对于低磷胁迫所诱导的根表面酸性磷酸酶活性的作用，是依赖于蔗糖的，但是蔗糖的作用则是独立于乙烯的。该研究还发现AtMYB2-miR399-PHO2 信号通路也参与调控低磷诱导的根表面酸性磷酸酶的活性[28]。对低磷状况下细胞分裂素（Cytokinin,CTK）含量变化分析表明，拟南芥根生长速率和顶端生长速率与低浓度的CTK含量及减少其受体CTK 的表达相一致[29]，说明CTK在植物响应低磷胁迫中起负调控作用。进一步的研究发现外源增施CTK，可显著抑制拟南芥中AtIPS1（Phosphate-starvation induced genes）、AtPT1（Phosphate Transporter 1）和AtACP5等低磷诱导基因的表达，但根毛的生长并未受到影响。深入研究发现，这一过程的实现主要是依赖于CRE1/WOL/AHK4等细胞分裂素受体[30-31]。此外，科学家们还发现独角金内酯（Strigolactones,SLs）同样在植物磷匮乏胁迫中发挥着独特的作用，如MADMON 等对拟南芥进行研究时，发现SLs可以显著增加植物根毛生长密集度，以利于拟南芥适应低磷胁迫[32-33]。对拟南芥磷匮乏胁迫下茉莉酸合成及信号转导研究发现，茉莉酸合成及转导途径也有可能参与了这一调控过程[34]。

2.2 磷酸酶的合成与植物磷匮乏胁迫响应

磷酸酶是生物体内一种重要的酶类，也是生物体进行信号转导调控所必需的活性物质。根据其酸碱性程度上的差异分为3 类，即酸性、碱性和中性磷酸酶，在植物磷匮乏胁迫响应中，酸性磷酸酶与其联系最紧密[28，35]。低磷胁迫下，植物体内酸性磷酸酶的分泌显著增强，该酶可通过多种作用方式，将植物液泡和衰老组织中所储存的有机磷酸盐进行水解和活化，而后释放出植物可利用的有效磷——磷酸基或活性磷，供植物直接利用[36]。此外，植物还可通过根系，向外部土壤环境释放酸性磷酸酶，并作用于土壤中的有机磷底物，使其成为植物可利用的磷[37]。借助分子生物学手段，目前，已从不同植物中分离出一系列的酸性磷酸酶编码基因，其中编码紫色酸性磷酸酶的基因（Purple acid phosphatases,PAPs）存在最广，如李东屏等[38]对拟南芥全基因组序列进行分析发现，拟南芥中一共存在有29个PAP基因。易双等[39]基于玉米自交系B73 的全基因组分析，发现玉米中有24 个PAP 基因。后续，还从水稻中发现存在26 个PAP基因。与拟南芥相同，水稻的26 个PAP家族基因也分为3 大家族，7 个亚族，且PAPs基因上均具有1～3 个OsPHR2结合元件，表明在水稻中PAPs基因可能是通过改变PHR2基因的表达，提高植物对低磷胁迫的适应性[40]。内生真菌——印度梨性孢（Piriformospora indica）也会提高油菜对低磷胁迫的适应性，因其可通过刺激酸性磷酸酶的活性和有机酸的积累，增强磷吸收能力[41]。基于全基因组扫描，发现杨树中可能存在33 个PAPs基因，同样被分为3 大家族，其中23 个PtPAPs在杨树根和叶中均有所表达。低磷胁迫下杨树根的质体蛋白质组学分析，表明PtPAP1对低磷胁迫下杨树磷吸收呈积极的作用[42]。此外，研究还显示马铃薯不同基因型之间磷利用效率存在差异，与其低磷条件下的酸性磷酸酶的活性等呈正相关[43]，在紫花苜蓿中也有类似的发现[14]，同时，该特性还被作为评价指标之一，应用于水稻磷高效种质的筛选[17]。

3 植物适应磷匮乏的分子响应机制

3.1 磷转运蛋白与植物磷匮乏响应

植物根系从土壤中吸取磷，然后分配到其他组织和器官进行利用，该过程需要依赖其体内磷转运蛋白体的存在。依据其所在的位置与功能结构上的差异，可大致分为4类：PHT1、PHT2、PHT3、PHT4，其中PHT1的转运活性和转运能力最强，可能因为该类转运体均位于植物细胞质膜上，能够更容易跨越细胞膜，实现磷转运[44]。磷转运蛋白是由MFS超家族基因所编码的一个完整的膜蛋白，含多个跨膜结构。该家族基因在不同物种间高度保守，其表达均受低磷胁迫诱导[45]。

3.1.1PHT1亚家族与植物磷匮乏响应

PHT1亚家族成员最多，并均对磷呈现出高的亲和力，故在磷转运过程中占主导地位[46]。基因组测序发现拟南芥中有9个、水稻中有13个PHT1成员，多数可在根系中表达，尽管在相应的其他组织中部分成员也有所表达。因此，推测PHT1亚家族不仅负责磷胁迫下植物根系对磷的吸收，同时还对磷素向植物其他组织器官的输送起作用[47]。对拟南芥中的PHT1亚家族成员进行研究，发现在磷匮乏诱导状况下，部分拟南芥的PHT1基因可显著表达。对这些基因序列进一步分析发现，在它们的启动子区域均存在有一段保守的回文序列即P1BS（PHR1 binding sequence,GNATATNC）基序，表明它们可能通过PHR1介导的途径参与磷素响应调控[48]。随后，类似的作用途径在苹果中也被进一步证实，如过表达苹果MdPHT1;7基因，可显著增强苹果磷积累、低磷耐受性和干旱耐受性[49]。此外，玉米、小麦、大豆、二穗短柄草等物种的PHT1也陆续被分离出来[50]。

3.1.2PHT2亚家族与植物磷匮乏响应

PHT2 亚家族是一类依赖于电化学势转运磷酸盐的基因，不仅参与植物根系磷的吸收和转运，还可能参与茎部组织的磷转运，但其结构上与PHT1 呈现出明显的差异，如在拟南芥的AtPHT2;1基因与磷酸盐亲和力的测试中，发现其对磷酸盐呈现较低的亲和力[51]。水稻整个发育过程都受到OsPHT2;1基因表达的调控，该基因的表达还在一定程度上影响了PHT1基因的表达。低磷胁迫时，超表达OsPHT2;1基因的水稻其叶片可溶性磷含量较野生型平均提高61.7%，说明该基因在正调控磷素吸收和转运过程中发挥重要的作用[52]。此外，小麦TaPHT2;1基因除对低磷胁迫积极响应外，还参与叶细胞内磷的转运过程[53]。

3.1.3PHT3亚家族与植物磷匮乏响应

3.突出重点。针对学生的错别字现象，教师还应该重视学生的易错部分。如将形近字、音近字等易错字放在一起进行对比，让学生发现易错的部分，并加以理解记忆。还可以在课件上运用不同颜色对易错的笔画、部首进行标记，以增加学生对易错部分的印象，减少错别字的使用。教师还可通过故事或趣味的记忆方法，帮助学生记忆易错部分

同PHT2 亚家族，PHT3 亚家族也属于低亲和力的磷转运蛋白。序列分析发现，它们均拥有一个线粒体转运家族特异结构MCF（Mitochondrial carrier family,MCF）及数个疏水跨膜结构，如拟南芥的AtPHT3;1、At-PHT3;2和AtPHT3;3基因。磷匮乏诱导分析表明AtPHT3;2与AtPHT3;3基因受磷匮乏诱导表达[54]。玉米上也分离出了该家族基因ZmPHT3;1，表达分析显示该基因在玉米的两个磷利用极端差异品种的叶片和根系组织中呈现为表达模式上的显著差异。同时，在磷匮乏胁迫诱导下，该基因在耐低磷玉米自交系Mo17的叶片和根中表现出磷匮乏胁迫前期的一般反应和后期的特异性反应[55]。

3.1.4PHT4亚家族与植物磷匮乏响应

目前，对于PHT4 亚家族的成员研究开展较少，且所有的研究结果也仅限于拟南芥。如GUO 等[56]从拟南芥中分离出了6 个该家族成员，并命名为AtPHT4;1～AtPHT4;6。亚细胞定位分析表明，AtPHT4;1～At-PHT4;5在质体中表达，而AtPHT4;6在高尔基体表达，但这6 个成员在根和叶中均有所表达。但磷匮乏胁迫诱导表达结果显示，该类基因并不响应磷匮乏环境。

3.2 含SPX结构基因与植物磷匮乏响应

SPX 结构域因包含有一段酵母的SYG1（Suppressor of yeast gpal 1）、PHO81（Phosphatase 81）及人的XPR1（Xenotropic and polytropic retrovirus receptor 1）基因的共同序列，故命名为SPX，同时，含有该结构域的基因可能通过G蛋白偶联信号的转导过程，参与生物体磷信号调控[57]。

3.2.1SPX亚家族与植物磷匮乏响应

SPX 结构通常位于该家族基因的N 端一侧，且大多数含SPX 结构的基因均含有3个大小不等的SPX 亚域，仅有少数例外[58]。拟南芥中共有20 个含该结构的基因，分属4 个亚家族，即SPX、SPX-RING、SPX-MFS和SPX-EXS亚家族[57]。其中，SPX 亚族的4 个基因均受低磷胁迫诱导表达，AtSPX1～4可能通过SIZ1/PHR1介导的磷信号网络，参与响应植物低磷胁迫的调控，且AtSPX1和AtSPX3均起正向调控的作用。进一步研究发现，拟南芥AtSPX1可能通过直接或者间接的方式，调控AtACP5、AtRNS1和AtPAP2的表达，进而参与植物低磷胁迫的响应；而AtSPX3除了可以正向调控拟南芥对低磷胁迫的响应外，还有可能负向参与At-SPX1的调控表达，目的是维持自身体内磷平衡[57]。ZHAO 等[59]基于水稻基因组，发现水稻中共有17 条含SPX 结构的序列，也可被分为4 个亚族，其中SPX 亚族6 个，SPX-RING 亚族2 个，SPX-MFS 亚族6 个，SPXEXS亚族3 个。WANG 等[60]研究发现6个SPX 亚族基因均受低磷胁迫的诱导表达，OsSPX1基因在转录水平可对OsSPX2、OsSPX3和OsSPX5实施调控，同时，在磷充裕条件下，OsSPX3基因的过表达可显著降低Os-SPX5的表达量。此外，OsSPX3还可负向参与PSI基因的调控，进而借助PSI/miR399介导的长距离途径，对miR399的靶标蛋白基因PHO2的表达进行调节。然而，不同于其它OsSPXs基因，OsSPX4除了参与水稻低磷胁迫下的负向响应外，还可作为信号分子开关，参与磷饥饿信号核心转录因子OsPHR2和初级硝酸盐信号转导核心转录因子OsNLP3的核质穿梭过程，进而维持水稻体内氮/磷平衡，例如，随着外源磷浓度的增加，osspx4突变体呈现典型的磷毒害，且在低磷状况下，该蛋白的稳定性明显降低[61]。此外，在低磷条件下，该基因可直接与OsSDEL1和OsSDEL2这两个泛素化连接酶基因互作，进而借助泛素化途径被降解[62]。

3.2.2SPX-RNG亚家族与植物磷匮乏响应

3.2.3SPX-MFS亚家族与植物磷匮乏响应

SPX-MFS 亚家族是一类除N 端SPX 结构外，C 端还含有一个特异的MFS 结构的SPX基因。MFS 结构是生物体内的一种二级转运单位，数量较为庞大且较多样，主要包括共同转运体、正向及反向转运体3 类。研究表明，含MFS结构的SPX基因可借助离子浓度梯度，参与体内糖、核酸等水溶性物质的转运[64]。水稻中存在4 个该家族基因即OsSPX-MFS1～OsSPX-MFS4，其在水稻顶端组织中特异表达，推测其也可能以磷转运子的方式，参与磷素响应调控过程[65]。LIU 等发现拟南芥中存在3 条具有该特征的序列，命名为AtPHT5;1～AtPHT5;3。功能研究表明，该成员均位于液泡膜上，且以磷转运子的方式参与细胞质磷平衡调控[66]。

3.2.4SPX-EXS亚家族与植物磷匮乏响应

不同于其他家族，SPX-EXS 亚家族是一类除N 端的SPX 结构外，C端有且只有一个EXS 结构的SPX基因。其EXS 结构的形成也是由3 个不同的基因（ERD1、SYG1、XPR1）共同组成，因此，推测在一定程度上SPX-EXS 亚家族与SPX 亚家族在功能上存在着相似性。WANG 等[67]发现拟南芥中共含有11 个该家族成员，命名为AtPHO1、AtPHO1;H1～AtPHO1;H10，基于表达模式分析，发现其可能在将无机磷转送至各个组织器官的维管束过程中以及将无机磷转送至细胞中发挥重要作用。ARPAT等[68]研究发现，AtPHO1及其家族成员主要是作为无机磷转运子参与体内磷的运输。SECCO等[69]发现在水稻中有3个AtPHO1的同源基因，被称作OsPHO1;1～OsPHO1;3，并作为无机磷转运子，专门负责无机磷从根部到顶端的运输。与拟南芥不同在于：一个顺式天然反义转录本位于水稻OsPHO1基因家族所有成员的5′端，且表达模式与拟南芥不同。同其他转录本相比，水稻OsPHO1;2基因的两个转录本在根中都有着高的表达活性。功能缺失突变体分析，在磷胁迫条件下，OsPHO1;2对于无机磷转运有着较高的活性，且受其顺式天然反义转录本的调控[69]。对蒺藜苜蓿中7个MtPHO1成员MtPHO1.1～MtPHO1.7的研究发现，除根维管系统外，MtPHO1.1和MtPHO1.2在结瘤区广泛表达。在烟草中的异位表达发现，二者都特异地介导烟草中磷的输出。利用RNAi干扰结瘤植物中MtPHO1.1和MtPHO1.2基因的表达，可显著降低该植株体内的磷含量，但其33P 吸收速率却与正常植株一样，未受影响[70]。

3.3 转录因子与植物磷匮乏响应

基因作为引发生物体性状产生和变化的基本单位，其表达往往受多个层次的严格控制，其中转录水平的调控便是其中最为重要的一环。而生物体中，转录调控的实现主要依赖于转录调控因子的存在。有研究表明，植物的生长发育与逆境响应无不涉及转录因子的存在，已有大量与低磷诱导表达基因、相关的转录因子被分离，并在植物体中得到验证。对这些转录因子进行归类分析，发现它们分别属于MYB、bZIP、WRKY、AP2/EREBP、NAC及CCAAT结合域6类。

3.3.1MYB 转录因子与植物磷匮乏响应

作为植物中广为存在的转录因子之一，MYB转录因子在植物磷胁迫中也扮演着至关重要的角色。研究表明，在拟南芥中MYB2 和MYB62 均可参与拟南芥的低磷响应，其中MYB2 作为一个激活子直接调控AtmiR399f的表达，进而促进拟南芥适应磷匮乏环境，而MYB62则主要通过赤霉素合成和信号途径，负向参与低磷诱导调控[71-72]。此外，另有研究发现，在植物中还存在着一种含MYB-CC 结构域的转录因子，参与植物的磷匮乏响应调控，而该类转录因子最早于莱茵衣藻中被发现，即CrPSR1（Pi-starvation response 1）基因[73]。之后，在拟南芥、水稻等植物低磷胁迫响应中，也发现并获得了类似的转录因子，如AtPHR1、OsPHR1、Os-PHR2、OsPHR3、OsPHR4、TaPHR1 等，并在响应低磷胁迫中起至关重要的作用，它们主要是通过结合一段不完整的回文序列P1BS，进而参与磷胁迫响应，同时，过表达这些基因的植株，其磷匮乏信号增强，体内磷积累量增加[74-76]。如小麦TaPHR3-A1是一个与水稻OsPHR3同源的基因，TaPHR3-A1在水稻中的异位过表达，可显著增加水稻的生物量、结粒数和花序分枝；同时，在敲除小麦该基因后，表现为苗期生长和根毛发育迟缓，且在成熟期的低磷和磷充裕状态下，呈现显著的产量相关效应。群体和重组自交系分析表明，位于该基因850 bp位置的碱基（A或G）是影响小麦结粒数的关键，当呈现A基因型时，小麦表现出更多的结粒数[77]。

3.3.2WRKY转录因子与植物磷匮乏响应

WRKY 是一类植物特有的转录因子，其可与一类具有w-box（含TTGAC序列）的蛋白特异识别结合，进而作用于植物生长发育及抗逆反应等过程。在对拟南芥低磷诱导过程中，也发现存在该类基因AtWRKY6，功能分析表明，其能够与AtPHO1基因的启动子的w-box相结合，进而参与拟南芥低磷胁迫的响应[78]。此外，在拟南芥中，AtWRKYa与AtWRKY42有着与AtWRKY6同样的功能，均可与AtPHO1基因互作，进而参与磷素响应调控，且AtWRKYa还能与AtWRKY6 互作，进行调控。进一步研究发现，在拟南芥中AtWRKYb、At-WRKYc及AtWRKY28 均能参与AtPHO1基因的表达调控，进而参与磷饥饿响应过程。除上述作用方式外，拟南芥的AtWRKYd、AtWRKYe、AtWRKY42 及AtWRKY45 等还可通过与磷转运体Pht1;1或Pht1;4的互作方式，参与拟南芥低磷胁迫的诱导响应[79-80]。在水稻中，WRKY 同样在低磷胁迫响应过程起着重要的作用，如OsWRKY1不论在根部还是叶部，均受低磷胁迫的诱导，功能分析表明OsWRKY1可能通过调控OsPHO1;2的方式参与响应水稻低磷胁迫[81]。此外，OsWRKY21和OsWRKY108也被阐明在水稻低磷响应中起关键作用，这2 个基因的过表达，可显著增加低磷胁迫条件下水稻体内磷的积累量，相反，在水稻OsWRKY21和Os-WRKY108双突变体中，体内磷积累量显著减少[82]。

3.3.3其它转录因子与植物磷匮乏响应

除MYB和WRKY 外，还相继发现转录因子bZIP和bHLH 等在植物低磷胁迫响应过程中扮演着积极的作用。如大豆GmPTF1编码一个bHLH 转录因子，通过调控GmEXPB2的表达，进而参与低磷胁迫下大豆根形态建成[83]。近年来，一类植物特异表达的GARP-type 转录因子NIGT1基因被广泛研究，还阐明了其在拟南芥、水稻等植物在低磷胁迫响应中起关键作用[84]。并采用正、反遗传学的研究手段进行了证明。如过表达AtNIGT1.2可显著增强低磷条件下，拟南芥的磷吸收能力。相反，在低磷条件下atnigt1.1和atnigt1.2双突变体植株中，磷吸收能力会呈现明显的减弱。进一步研究还发现，AtNIGT1.2可直接靶向拟南芥磷转运基因At-PHT1;1和AtPHT1;4的启动子区的顺式作用元件，进而上调该基因的表达，从而参与低磷胁迫下的磷吸收调控，且该调控途径也在玉米中被证实[85]。此外，还发现除AtPHTs基因外，SPXs基因也受AtNIGT1家族成员的调控，进而通过NIGT1-SPX-PHR级联途径参与拟南芥低磷响应[86]。

3.4 microRNA与植物磷匮乏响应

内源性单链小分子RNA 即microRNA（miRNA），其长度在21～24 nt，是由发夹结构的前体剪切加工产生的，是一类能够广泛参与植物生长发育与逆境胁迫反应调控的基因，并作为信号分子参与植物耐低磷胁迫响应，其中miR393是第一个被发现在植物低磷胁迫响应中发挥作用的miRNA[87]。目前，已经在19个物种中共鉴定到119 个miR393，其中水稻和拟南芥全基因组中分别有11 个和6 个编码miR393的位点，可被低磷胁迫诱导表达。功能研究表明，其主要是通过与PHO2结合进而参与体内磷素平衡的调控，该调控机制已在多数植物中得到证实，如拟南芥、水稻、小麦、玉米、大豆等[88]。除PHO2外，另有研究发现，miR393还可与含TPSI1和Mt4结构的基因互作，进而调控植物低磷胁迫下的磷需求[89]；miR399d与磷转运者McPHT1;4具有高亲和力，苹果在遭受磷匮乏后，其叶片中的转录因子基因McMYB10被强烈诱导[90]。此外，miR393还能作为长距离运输的信号分子，由植物的韧皮部传输到根部，并传递地上部通过低磷胁迫引起的低磷信号，调控根部靶基因的表达和磷的吸收转运[91]。另一个被深入研究的是miR827，其靶基因所编码的蛋白含有SPX 结构，植物中含有SPX 结构的蛋白能够响应磷供给的变化，并在木质部外，负责装载磷[57]，后续的研究还发现：miR827调控其靶基因NLA（NItrogen limitation adaptation,NLA），是通过以氮依赖的方式，来维持植物体内的磷平衡[63]，并推断miR827/NLA有可能是氮/磷信号通路的链接节点。此外，来自大豆的基因Gm MIR319在烟草中稳定过表达后，在低磷胁迫下，转基因烟草根长明显比对照长，同时，其地下部和地上部的鲜重也显著高于对照[92]，说明GmMIR319能明显提高烟草对低磷的适应性和耐受性。同时，另一个来自大豆编码大豆miR168 的基因MIR168，在该基因稳定过表达的烟草中，也有类似功能[93]，并认为可能参与了ABA 和JA 信号调控。

高通量测序技术的应用与测序成本的大幅度下降，基于全基因组测序鉴定植物低磷胁迫下差异表达miRNA 成为研究低磷胁迫下miRNA 调控研究的热点之一，该工作最早在模式植物拟南芥[94]上进行，之后在大豆[95]、玉米[96]、水稻[97]、苜蓿[14]等重要物种上进行，但甘蔗上尚未有相关研究的报道。该技术具有规模化鉴定miRNA 的特点，如在苜蓿上，采用该方法就鉴定出264 个已知的和157 个新的差异表达的miRNAs，并证明了miR156、miR396、miR160a、miR160c和miR166对靶基因的作用位点与预测的相同，其所参与的调控包括根系的生长发育、有机酸的分泌、抗逆保护蛋白的形成、磷转运蛋白的调控以及氨基酸等基础代谢的响应。对miRNA 在植物低磷胁迫中的响应尤其是miRNA 在提高磷的转运和磷的再利用效率、参与抗氧化物生物合成以及对根系结构改变的研究，潘晓阳等[98]进行了专题概述。最近关注的热点是：miRNA 在缺乏多种养分（如氮、磷、钾）条件下的作用机制[99]，并鉴定出与N、P、K 缺乏相关的miR169s、miR399s、miR5565c、miR5564和miR1432，且其中miR169、miR172和miR160的表达与其预测的靶基因的表达恰好相反，这些结果有助于阐明miRNA在磷缺乏和多种养分同时缺乏的作用。

4 展望

尽管土壤中磷含量高，但可被植物利用的有效磷含量低，因此，磷匮乏是农业生产上普遍存在的问题。植物在磷饥饿状态下，会通过根系统构型、根分泌物和一系列生理生化变化，主动适应磷匮乏所致的胁迫，植物体内一系列磷转运蛋白基因、转录因子基因和microRNA 等的变化是其对磷匮乏逆境的响应在分子层面的反映。上述研究不仅为磷高效利用作物品种的筛选奠定了理论基础与可选择的评价指标，还为磷高效品种培育提供了遗传改良的理论依据、基因资源与路径选择的线索。但植物体内磷平衡过程中的机制是复杂的，未来还需要开展更多的研究，并利用多维组学等研究手段，进一步认识植物对磷胁迫的响应。