植物应答缺磷胁迫相关转录因子研究进展

李越 沈锦纯 张琳淳 赵竑博

(华南农业大学园艺学院，广东 广州 510642)

1 植物磷的重要性

磷是植物生长发育所需要的大量元素之一，在植物的生长发育中发挥着至关重要的作用，特别在是提高作物品质和产量方面[1,2]。磷是生物膜、蛋白质、磷脂、ATP、核酸的重要组成部分，也是植物中碳水化合物运输、代谢和脂质代谢不可或缺的成分，在种子萌发、花粉发育和果实等形成的相关过程中发挥着不可替代的功能[3]。由于土壤中有机质和矿物质对磷酸盐的固定和结合能力强，特别是在热带和亚热带地区的强风化酸性土壤中，使植物对这类被固定结合的磷酸盐的利用非常有限，导致土壤中有效磷含量少，限制耕地特别是酸性土壤上作物的生产[4]。为了解决土壤中磷含量低的问题，植物进化出了一系列适应的策略，以提高获取和使用磷的效率。在植物根系中，这些对缺磷的多种适应策略主要包括利用替代代谢途径减少ATP的消耗；刺激根系的生长以及加强与丛枝菌根真菌的同生关系；增强根介导的有机酸和紫色酸性磷酸酶分泌物，以获得少量可溶性磷源；增多磷转运体，以提高磷的吸收和转运[4-6]。

当前，植物响应缺磷胁迫相关的转录因子研究成为热点。本文对植物缺磷胁迫下相关转录因子的调控机制及其与激素调控、根系生长发育、花青素积累等方面的相互关联进行了综述，以期对深入研究植物应答缺磷胁迫奠定理论基础。

2 植物缺磷胁迫对根系生长发育的影响

2.1 缺磷胁迫下植物根系形态结构的变化

植物的根系是最先感受外界磷浓度变化的器官，因为植物根系一直暴露在干旱和营养缺乏等快速变化的环境中[7]。为了适应这些不断变化的环境，植物通过调整根系的生长和形态结构来提高根系吸收外界水分和各种营养成分的利用效率[7]。根分生组织的活性是决定根生长和结构的关键因素，根的生长和发育需要干细胞不断产生新的细胞，而这些干细胞的子代在分生区迅速分裂，进入伸长或分化区，并开始分化[7-9]。

相关调查显示，在磷缺乏的条件下，植物的侧根和根毛生长变得旺盛，从而增大根系与土壤间的接触表面积，进一步提高了植物根系从土壤中吸收磷的效率，促进了植株的生长发育[9]。如，缺磷胁迫下的落叶松苗与对照组相比，地上部分生长较弱，生物积累量减少，根冠比却增加了[10]。在拟南芥中，缺磷会导致根系变短，侧根增多；在严重缺磷时，根的鲜重显著下降，但根冠比却反而上升，这是因为在中度和重度缺磷的情况下，其地上部鲜重显著减少，分别比对照组减少40%和70%[11]。玉米在缺磷情况下减少了原生根、侧根长度，降低了冠根轴向根的长度以及降低了根长的密度和长度[12]。在水稻中，不同的磷浓度对水稻生物量的影响效果明显[12]。随着磷浓度的下降，地上部的生物量和根系长度逐步下降[13]。在水稻中，缺磷导致水稻的主根伸长，其根系的长度与植物吸磷的能力呈正相关[13]。此外，在甜瓜中，缺磷胁迫对根系形态也会产生影响，如缺磷胁迫通过影响光合作用，从而阻碍甜瓜幼苗的生长，降低其干物质的含量；缺磷胁迫也会抑制甜瓜芽中磷的含量，从而阻碍了三磷酸腺苷合酶的活性，进而干扰叶绿体光合电子传递链上质子和电子的传递效率[14]。

2.2 植物缺磷胁迫根系生理生化的影响

在磷缺乏的条件下，植物不仅在根系形态结构上会产生变化，而且可以通过调整生理生化来促进根系对磷素的吸收[15]。如，通过分泌酸性磷酸酶，活化土壤中的有机磷，以提高根系对外部磷素的吸收[16]。

在植物根系中，如果受缺磷胁迫程度较低，那么分泌的酸性磷酸酶活性会有一定的增加，这会加速磷脂的分化并产生大量无机磷，从而促进植物对磷的吸收[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，酸性磷酸酶活力减少，这表明植物根系可以通过调控酸性磷酸酶的含量来应对缺磷胁迫[16,17]。

缺磷胁迫会导致植物根系释放出一些小分子的有机酸，通过释放这类有机酸排出酸性介质来激活和分解难处理介质，增加环境中可溶性磷酸盐等可用营养元素的溶解性和迁移性，从而改善植物对环境的适应性和对不利环境的抗逆性[18,19]。如，在水稻、大米、玉米和柱花草中，缺磷都能诱导柠檬酸的分泌；在大豆中缺磷会诱导苹果酸和柠檬酸分泌[20]。通过探究表明，根分泌的有机酸参与了土壤的形成，促进了矿物质的溶解；促进植物对营养物质的吸收；改变了物理和化学性质；减少了植物缺氧症状和其它对植物有毒物质的毒性；对植物的各种生理和生态过程也有很大的影响，还可以调节植物对不利环境的抵抗力[21]。

3 植物缺磷转录因子

转录因子也称为反式作用因子，是指能够与真核基因的顺式作用元件发生特异性相互作用，并对基因的转录有激活或抑制作用的DNA结合蛋白[22]。一般植物转录因子都由4个功能区组成，即DNA结合区、转录调控区、细胞核定位信号区和寡聚化位点[23]。2005年，浙江大学成功克隆出了OsPTF1转录因子基因，其是第1个被鉴定出具有提高植物磷利用率的转录因子[24]。此后，对植物抗缺磷相关转录因子的研究越来越多[25]。迄今为止，在高等植物中已发现大量转录因子受磷胁迫影响，主要有WRKY、bHLH、MYB、PHR和ZAT家族[26]。这些转录因子对下游的缺磷响应基因有正向或负向的调控，并对植物的磷素信号和磷素稳态产生影响[27]。

3.1 植物缺磷转录因子调控机制

3.1.1 植物缺磷正调控转录因子

WRKY类转录因子对植物缺磷胁迫有积极影响[28,29]。多项研究表明，WRKY家族成员对植物缺磷胁迫有响应。已发现对植物缺磷起正调控的WRKY转录因子有拟南芥中的WRKY45、WRKY75，马尾松中的WRKY164以及水稻中的WRKY74[30-33]。WRKY45会受缺磷胁迫的诱导，因此在拟南芥中，增强表达该基因能促进植株对无机磷的吸收，使植株体内无机磷含量升高，而在该基因干涉植株中无机磷的含量和吸收都下降[30]。在缺磷条件下拟南芥WRKY75表达上调，正调控缺磷诱导基因[31]。当WRKY75被抑制时，参与磷饥饿反应的几个基因的表达下调，包括编码磷酸酶、Mt4/tps1样基因和高亲和性磷转运蛋白的相关基因[31]。在过表达马尾松中PmWRKY164基因提升了转基因烟草植株对缺磷的适应能力[32]。在水稻中,WRKY转录因子III家族的成员OsWRKY74参与了水稻对磷饥饿耐受性的调控，增强OsWRKY74表达能够显著增加水稻对磷饥饿的耐受性，使得OsWRKY74干涉株系对磷饥饿胁迫敏感程度更高[33]。水稻在缺磷的营养液中生长时，增强OsWRKY74表达使得根系和地上部的生物量以及磷含量都比野生型高16%；在土壤盆栽的实验中，在磷缺乏条件下生长时，增强OsWRKY74表达，水稻分蘖的数目、粒重以及磷含量均要比野生型高24%以上[33]。

bHLH类转录因子在缺磷胁迫下对植株也有一定的影响[34]。不同的bHLH成员，如水稻bHLH家族成员OsPTF1，通过转录调控一系列缺磷胁迫应答基因来介导植物对磷剥夺的耐受性[34]。也有研究发现，在小麦中转录因子TabHLH1对外部缺磷胁迫反应敏感，并通过转录调节编码磷酸转运蛋白(PT)、硝酸盐转运蛋白(NRT)和抗氧化酶的基因来提高对缺磷的耐受性[35]。在烟草中，分别编码磷酸转运蛋白和硝酸盐转运蛋白的基因NtPT1和NtNRT2.2都在TabHLH1过表达中表达上调；在缺磷条件下，其敲除表达导致植物生长特性恶化、生物量降低和养分积累减少[35]。与野生型相比，TabHLH1过表达的小麦中，编码超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶的基因NtSOD1、NtCAT1和NtPOD1∶6表达上调，提高抗氧化酶活性，降低小麦中活性氧的积累[35]。

除WRKY和bHLH外，参与植物缺磷胁迫应答过程的转录因子还有MYB类[36]。在拟南芥中，一种R2R3型MYB转录因子AtMYB62被发现可以通过调控赤霉素代谢和信号转导来对磷饥饿进行应答，超表达该转录因子能够提高拟南芥对磷素的汲取[37]。在水稻中的研究发现，转录因子OsMYB1可作为调节因子参与磷饥饿信号转导和赤霉素生物合成[37]。除此之外，在拟南芥和水稻中发现，过表达OsMYB2P-1基因赋予转基因植物更强的耐受性，并在磷缺乏的条件下能激活磷转运蛋白OsPT6、OsPT8和OsPT10基因的表达[38]。水稻OsMYB4P最近也被证明可以通过激活磷转运蛋白基因的表达来调节磷饥饿反应[39]。

PHR类转录因子与植物缺磷胁迫也有密切的联系。拟南芥PHR1在缺磷条件下,能够正向调控PHT1∶1/PT1和PHT1∶4/PT2基因来提高拟南芥从外界获取磷的能力[40]。在缺磷条件下，phr1突变体的淀粉和糖的含量降低，麦芽糖含量明显上升[41]。

3.1.2 植物缺磷负调控转录因子

除了正向调控转录因子外，近来研究表明，植物中存在许多缺磷负向调控转录因子，如PHR1、WRKY42、WRKY6、WRKY75、bHLH32等[41-44]。如在拟南芥中，AtPHR1作为磷信号和磷平衡的中心调控转录因子，通过与下游基因启动子中的P1BS(PHR1 binding site)顺式作用元件的结合从而来调控下游基因的表达，以响应植物缺磷[41]。拟南芥中AtWRKY42和AtWRKY6与缺磷调控基因AtPHO1结合，通过抑制AtPHO1表达，负调控磷转运[42,43]。敲除AtWRKY42的拟南芥突变体对缺磷胁迫更为敏感，其嫩枝含磷量低于野生型[42]。也有研究发现，拟南芥WRKY6转录因子参与缺磷胁迫响应过程[43]。在拟南芥中，WRKY6通过调控磷酸盐转运蛋白PHO1的表达来参与调节植物体内磷素的平衡[43]。WRKY6通过结合PHO1启动子区域的W-box元件，抑制PHO1的表达；而在缺磷的情况下，WRKY6蛋白被降解，不能与PHO1启动子区域的W-box元件结合，清除了对PHO1的抑制作用，从而增加了植物对磷元素的利用率[43]。Fan等研究表明，在拟南芥缺磷处理后，WRKY75也会负调控根系的发育[40]。

在缺磷条件下水稻中也存在负向调控转录因子。水稻bHLH类转录因子参与耐缺磷的OsPTF1基因的表达，该基因在根和侧根的韧皮部被诱导表达[44]。bHLH32也是磷酸饥饿反应的负调控基因，在磷充足的条件下，bhlh32突变体的根毛数量、花青素积累量和磷总含量均显著高于野生型，其分子机制是受bHLH32负调控的基因可以编码PPCK，而PPCK在调控代谢时会导致磷的消耗[44]。

3.2 植物缺磷相关转录因子与根系生长发育

在磷缺乏的条件下，植物通过调节缺磷相关转录因子来影响根系生长发育。有报道发现，拟南芥WRKY75受磷饥饿诱导，wrky75基因干涉植株对磷的吸收能力下降，但其侧根变长，根毛旺盛[31]。过表达WRKY42促进了拟南芥对磷的吸收，导致根部磷含量的增加；而在wrky42突变体中，磷的吸收能力下降导致根中磷含量降低[42]。研究发现，水稻WRKY74受磷饥饿诱导，在过表达OsWRKY74的植株的根系中，磷饥饿响应基因的表达模式也发生了改变[33]。

PHRs家族成员增强表达能诱导下游磷饥饿诱导基因的表达，导致地上部磷积累和水稻根毛伸长；突变phrs基因以后，水稻中磷饥饿诱导基因的表达上调受到抑制，同时缺磷诱导引起的根毛伸长也被抑制[45,46]。在磷缺乏的条件下，phr1 phl1的双突变体根毛的伸长受到抑制，而且比phr1单突变体的抑制效果更强[40]。

MYB家族中，在拟南芥幼苗时期的叶片中发现AtMYB62受到了缺磷诱导，其超表达还可以增加主根的长度[37,38]。OsMYB1除了调控磷酸盐转运蛋白基因的表达之外，对赤霉素合成相关基因以及在赤霉素的生物合成也有一定程度的调节作用，进而调控在不同含量磷处理下根的发育以及磷素动态平衡[37]。在缺磷情况下，OsMYB2对初生根伸长发挥积极作用[38]。

在拟南芥中，定位于细胞核的ZAT6在缺磷条件下被诱导[48]。ZAT6的干涉植株中磷含量减少，其过表达影响根的发育并延缓幼苗生长[48]；ZAT6的过表达导致了植物根结构的改变，从而改变了磷含量。这些结果表明ZAT6调节根的发育，从而影响磷的获得和体内平衡[48]。

3.3 植物缺磷转录因子与缺磷胁迫下花青素积累的调控

在缺磷条件下，植物通过调节缺磷相关转录因子调控花青素积累[44]。如，WRKY转录因子参与了缺磷反应信号通路，WRKY转录物的减少会停止基因表达反应，导致磷摄取减少，使得花青素在早期积累[49]。

第1个被报道参与调控磷酸盐饥饿反应的WRKY家族成员是AtWRKY75[31]。在缺磷处理过程中，该转录因子在拟南芥中被强烈诱导，通过RNAi沉默抑制，使得磷胁迫更容易影响植株生长，并影响到了花青素早期的积累[31]。在拟南芥缺磷时，WRKY6增强表达材料叶片的花青素积累高于野生型且呈现褐色，AtPHR1的功能缺失会延缓拟南芥缺磷诱导的花青素积累，并抑制一些缺磷响应基因的表达[40,43]。在缺磷条件下，PHR1过量表达促进了拟南芥花青素的积累，而WRKY75过表达降低了花青素积累；phr1突变体中磷吸收能力及花青素积累均下降，而在拟南芥wrky75突变体中磷的吸收没有明显影响,花青素的积累升高[40]。在衰老叶片中，wrky75突变体中磷含量比野生型高[40]。缺磷条件下，超量表达phr1 wrky75拟南芥植株表现为花青素积累增加，phr1 wrky75双突变体表现为花青素积累减弱，这些结果显示WRKY75基因过量表达及突变对花青素的影响是通过调控PHR1基因来实现的[40]。bHLH32在缺磷条件下会对植物产生负调控，有功能缺陷的突变体bhlh2在一般情况下积聚了比较多的花青素以及磷[34]。bhlh2突变体中，花青素合成的关键基因DFR表达明显上调，说明花青素合成的负调控因子是bHLH32[34]。

4 展望

转录因子在调节植物适应逆境过程中起到了重要的作用，可以调控许多与抗逆相关基因的表达，改善植物的抗逆性。植物的抗逆性状通常是多基因控制的数量性状，多个转录因子家族均与植物的抗逆性有重要关系，逆境的抗性机理也渐渐成为了重点的研究内容[50]。

当前，植物应答缺磷胁迫相关转录因子备受瞩目。为了应对包括磷胁迫在内的环境胁迫，植物体内多个基因参与胁迫响应过程，从而促进了植物胁迫耐受性[50]。在分子水平上理解植物对磷胁迫的反应机制是至关重要的，因为研究人员可以通过基因工程来利用这些反应机制提高植物的胁迫耐受性，从而提高作物生产力[29]。本综述强调了PHR、MYB、ZAT、WRKY和bHLH家族的关键植物转录因子的作用。这些转录因子家族的成员通过顺式元件、脱氧核糖核酸甲基化和其它附加因素在提供对多种非生物胁迫的耐受性方面起着至关重要的作用。此外，考虑到转基因植物是分子育种计划中的候选基因，需要进行田间试验来验证转基因植物的生长，并最终引导育种者开发出对磷胁迫具有抗性的作物品种[29]。