植物低磷脅迫響應及其調控機制

王保明 ,陳永忠 ,王湘南 ,陳隆升 ,彭邵鋒 ,王 瑞 ,馬 力 ,楊小胡 ,羅 鍵

(湖南省林業科學院國家油茶工程技術研究中心 ,湖南長沙410004)

植物低磷脅迫響應及其調控機制

王保明 ,陳永忠 ,王湘南 ,陳隆升 ,彭邵鋒 ,王 瑞 ,馬 力 ,楊小胡 ,羅 鍵

(湖南省林業科學院國家油茶工程技術研究中心 ,湖南長沙410004)

概述了土壤對磷吸收、遷移、同化以及磷在植物體內分布、吸收、轉運、利用的機理；總結了低磷脅迫植物的生理生化響應、植物激素的調控效應、遺傳變化、馴化適應；揭示了植物低磷代謝信號網絡系統、分子應答調控機制和代謝酶的適應性變化 ,并闡述了低磷脅迫條件下植物的基因性狀鑒定和基因工程應用的研究進展.最后展望了提高低磷脅迫植物磷利用效率的途徑、面臨的挑戰及應用前景.

低磷脅迫；代謝；響應；調控；效應；信號網絡；應用前景

磷是植物細胞重要的組成和必需元素.它是ATP、FMN、NAD＋、NADP＋、FAD、CoA等參與光合作用、呼吸作用物質的重要組成 ,并在細胞分裂、物質代謝、能量代謝、細胞信號轉導、基因表達調控中發揮重要作用 ,是植物生長、發育和產量形成的重要因素[1－6].但是 ,磷利用效率較低 ,多數磷常常不能為植物所利用[7].土壤中磷利用率很低 ,常常依靠大量施磷以保證和增加可利用磷；但是 ,過度的磷施用會導致成本增加、水土污染、磷礦資源枯竭等許多負面影響和潛在危機[3 ,6 ,8].低磷脅迫植物通過發育變化和代謝適應增加磷獲取滿足其生長和生存需求.揭示植物體內磷分布、吸收、遷移、同化規律 ,解析缺磷條件下植物的生理生化響應以及激素、光合同化物(蔗糖)等對信號網絡影響的機理 ,對于磷獲取、高效利用、貯存、循環再利用具有重要意義[9].本文從土壤磷代謝 ,植物“源—庫—流”中磷變化 ,低磷脅迫下的生理生化效應 ,信號網絡等方面闡述了植物低磷脅迫的代謝規律 ,深化了對植物低磷馴化遺傳機制的理解 ,并為培育高效磷利用品種提供合理的策略[10].

1 缺磷條件下的磷代謝

1.1 土壤中磷的吸收、同化、遷移和動態平衡

土壤中只有1%－5%的磷通過“磷流”傳遞 ,大部分磷通過擴散到達根部 ,但是擴散速率很低(0.3×10－13－3.3×10－13m2?s－1).土壤溶液和細胞胞漿中磷濃度很低 ,根通過由質膜H＋-ATPase產生的質子驅動和轉運 ,以100倍或更高的濃度獲取磷 ,之后上載到木質部 ,轉運到植物的不同部位[5].土壤中腐爛的有機質是低磷植物重要的可利用磷源.它以1－10 μmol?L－1無機磷酸鹽的形式存在于土壤溶液中 ,可與Al3＋、等形成不溶性復合體[3 ,11].磷主要以

植物缺磷會導致從失活部位向活性部位的磷遷移.磷轉運有低親和性和高親和性兩類轉運蛋白 ,低親和轉運蛋白是組織型表達 ,在維管上載和下載中激活、內部分配、“再遷移”獲取磷.高親和蛋白受植物利用磷效率調節.缺磷時 ,釋放磷進入木質部、轉運到地上 ,其轉運量增加使根吸收磷量隨之增加[5].高等植物通過跨液泡膜的磷轉運保持磷動態平衡.液泡可能具有磷“源”和“庫”雙重作用.磷未受限時 ,液泡作為“庫”貯存磷 ,磷受限時 ,液泡作為“源”完成磷需求[5].另外 ,液泡貯存磷(池)差異、磷釋放、磷遷移引起缺磷馴化 ,植物品種、根、葉位差異均會影響磷釋放和外部磷的緩沖能力.缺磷遷移有助于培養耐磷植物根系 ,增加耐低磷能力和提高磷利用率[13].

1.2 植物中磷分布、同化和“庫源”變化效應

植物體內磷分布不均勻.足磷時 ,磷在植物體內的分布是“地上部”大于“地下部” ,高活性細胞大于低活性細胞 ,液泡和質體大于胞漿 ,嫩葉大于老葉 ,根尖生長點、果實、種子中的磷也較豐富[1 ,14].磷過度時 ,會產生磷毒害 ,導致成熟葉片頂部黃化和壞死[15].缺磷會改變植物體內的磷分布 ,通過韌皮部從營養器官再輸出 ,多偏向由營養器官流向生殖器官[16].缺磷時 ,葉片、頂芽、莖中的磷減少 ,的吸收較足磷時下降 ,幼葉是的主要“庫”和同化位點 ,接著依次為根和頂芽 ,其余的在莖和成熟葉片中同化 ,而老葉出現負的凈同化 ,地上部韌皮部中大量的磷流向根部[17].

“庫”、“源”變化影響植物體內磷代謝.在大豆中 ,連續光照代替正常光照引起葉片中NADPH、ATP、ATP/ADP增加 ,核酮糖1 ,5-二磷酸和磷酸二氫丙酮含量分別比正常光照葉片中的大幅增加 ,而使3-磷酸甘油酸含量下降.引起幾乎所有光合作用碳水化合物(除6-磷酸鹽和腺嘌呤核苷二磷酸葡萄糖)代謝的磷酸鹽中間體增加.“庫”受限時 ,磷酸鹽中間體積累導致葉綠體基質中的無機磷受到限制[18].同化需求量對磷都有顯著影響 ,以遮陰改變同化需求 ,遮陰植株葉片中無機磷濃度都顯著升高[19].

2 植物低磷脅迫的生理生化響應、調控效應和馴化適應

2.1 植物低磷脅迫的生理生化響應

低磷誘發植物形態、解剖、生理、生化等一系列的演化 ,使植物具有適應低磷的誘導能力以獲取磷[10 ,20].棉白楊的最大光合速率、Rubisco的含量和活性、最大羧化速率(Vcmax)、最大電子傳遞速率(Jmaxs)、Jmaxs/Vcmax比率、氣孔導度、葉片中的磷、碳水化合物均隨著磷供應量的增加而增加.低磷會抑制CO2濃度響應 ,隨著CO2濃度增加 ,磷需求會嚴重影響飽和凈光合速率[21].缺磷植物的葉片發育延遲、光合能力下降 ,蔗糖和淀粉濃度增加 ,葉色暗綠 ,老葉有壞死斑塊易脫落 ,腋芽出現、伸長 ,植株矮小 ,葉脈紫紅色 ,花青素積累增加[22－23].凈光合產物下降和幼芽生物量減少是植物中磷匱乏的典型效應[24].如 ,缺磷使木豆的CO2同化下降 ,磷酸鹽在葉綠體轉移抑制 ,胞漿中磷酸化和光合作用受限 ,而三磷酸甘油酸積累導致過多淀粉合成.另外 ,缺磷使植物磷吸收、葉面積和光合能力、植物生物量顯著下降 ,根部淀粉增加[25].氮磷缺乏影響光合作用碳水化合物在“源”“庫”組織中的分配 ,導致葉片中碳水化合物積累 ,大量碳分配到根 ,根冠比增加 ,葉片中的糖和淀粉濃度增加.在胞漿 ,低磷會抑制ATP合成 ,Rubisco失活或活性下降[22].此外 ,不同類型植株的氮磷匱乏響應存在差別.如 ,青楊遭受氮磷脅迫時 ,雄性植株比雌性植株具有較強的光合能力和較高的光合NP利用效率.缺氮時 ,雄性植株具有較高的谷氨酸脫氫酶和過氧化物酶活性；缺磷時 ,雄性植株較雌性植株具有較高的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶以及酸性磷酸酶活性 ,葉片中較低的N/P比和低PSII損傷 ,使得雄性植株遭受的負效應比雌性植株輕微得多[26].

低磷脅迫植物的根發育、根系構型發生變化[11 ,27].主根伸長減少 ,產生大量長側根、稠密根毛的淺根系 ,根毛數量和表面積增加 ,直徑減小 ,根/冠比增大.低磷植物根系分泌的有機酸、酚類物質增加.如 ,檸檬酸或酸性磷酸酶(APase)向根際滲出 ,或與菌根共生增加磷吸收和利用[20].有機酸合成增強與磷酸烯醇式丙酮酸羥化酶(PEPC)、蘋果酸脫氫酶、檸檬酸合酶等的上調表達密切相關 ,過量表達PEPC能夠誘導有機酸合成和排泄[10].APase是催化磷酸單酯水解的膜結合蛋白 ,低pH值時 ,它催化磷酸單酯水解 ,從細胞內外的有機磷中釋放出無機磷.APase主要存在于細胞壁和細胞間隙 ,如細胞核、淀粉體、線粒體、高爾基體或內質網.細胞外的APase參與降解土壤中的有機磷酸單酯；細胞間的APase對磷酸單酯中磷“再遷移”和清除具有重要作用[20].缺磷時 ,APase活性與磷吸收、利用效率呈負相關性[28－29].PAP是APase的一個重要家族基因 ,缺磷植物中其表達受轉錄因子PHR1、WRKY75、ZAT6等調控 ,其合成受到轉錄后調控.向低磷植物施磷能夠抑制低磷誘導PAP的表達[10].例如 ,AtPAP17作擬南芥中為最早鑒定的低磷誘導PAP ,低磷時在擬南芥的根、葉中誘導表達 ,并可能參與活性氧代謝.另外 ,土壤中根APase活性是植物生長和磷酸鹽營養匱乏的標記[30].

2.2 低磷脅迫中植物激素的調控效應

生長素、乙烯、赤霉素等植物激素能夠調節低磷誘導根系變化[31].生長素能夠改變根構型 ,誘導側根形成.低磷條件下 ,lpi3突變體主根減少 ,側根增多[32].低磷時 ,生長素敏感性增加 ,生長素復合體SCFT-IR1/AuxIAA的主要成分TIR1表達增加 ,導致生長素敏感性和含量增加、側根出現[32－33].乙烯生物合成和乙烯信號在調節磷代謝信號網絡的局部感應、系統感應的長距離信號傳遞中發揮重要作用.如 ,調控其誘導基因PHO1 ,miR399的表達 ,改變根的構型 ,調節根毛生長和根伸長[31](圖1).適當施用赤霉素(GA)能夠增加根毛生長 ,在低磷脅迫時 ,ga1-3突變體的根毛長度顯著減少[11 ,34].基因差異表達和生理分析實驗表明:茉莉酸和乙烯可能調控氧化還原的狀態 ,并在缺磷誘導的主根分生衰竭過程中發揮重要作用[35].三磷酸肌醇(IP3)和四磷酸肌醇(IP4)是調節體內鈣平衡的關鍵第二信使[36－37].多磷酸肌醇激酶通過它們在細胞信號傳導中發揮重要作用.低磷條件下 ,消除來自底物的泛素對誘導根毛十分重要.泛素特異蛋白酶14能夠剪切多肽上的泛素 ,磷缺失per1突變體中UPP14轉錄效率下降 ,導致根毛生長受阻[38－39].

2.3 植物低磷脅迫的馴化適應和遺傳變化

菌根共生能夠提高植物磷吸收和生長 ,是低磷利用的重要特征.真菌與植物根系相互作用 ,磷在這個過程中發揮重要作用.低磷條件下 ,植物形成特異簇根 ,分泌有機酸 ,釋放鐵、鋁等磷酸鹽中的螯合磷 ,并進化形成與叢枝菌根真菌形成互惠共生體的適應性機制 ,增強對磷的吸收、轉運和再利用[5 ,20].叢枝菌根植物能夠分配70%的光合物到根部.在根皮層的共生界面 ,植物向叢枝菌根菌絲體供碳和叢枝菌根菌對植物磷吸收存在直接的耦合關系[40].

表觀遺傳變化是植物適應生物、非生物迫近的重要特征.DNA甲基化是表觀遺傳調控的一個重要標志[27].如 ,鋁、鹽、冷脅迫時 ,甲基化的GPXPD基因表達增加；響應鋁脅迫的GPXPD基因在低磷誘導下大量表達 ,解除磷脅迫時 ,其表達恢復到基本水平.參與適應脅迫表觀遺傳機制還包括轉錄后修飾核小體核心組蛋白復合體的乙?；?、磷酸化、泛素化和SUMO化.冷脅迫時 ,擬南芥WD-40蛋白基因HOS15組蛋白去乙?；?；鹽脅迫時 ,組蛋白H3、S10磷酸化、組蛋白H4乙?；@著改變基因的轉錄水平.但是迄今為止 ,植物低磷脅迫表觀遺傳調控的直接證據依然很少[27].目前僅發現肌動相關蛋白APR6是一些低磷響應基因的表觀遺傳調節器.APR6是染色質重塑SWR1復合體的關鍵成分 ,需要組氨酸H2A.Z整合到染色質上.apr6突變體的生理和分子表型與低磷擬南芥等植物的生理和分子表型極為相似.APR6功能缺失導致一些低磷誘導基因的H2A.Z豐度急劇減少[41].

3 缺磷植物脅迫信號網絡、分子應答調控、酶適應、基因性狀鑒定和基因工程

3.1 植物缺磷脅迫信號網絡

低磷脅迫植物已經演化形成局部和長距離調節的感應、適應、應答信號網絡.局部調控信號以提高磷獲取為目的 ,產生和作用于局部刺激 ,起始于主根發育的變化.它通過胞間連絲(共質體)或細胞間的空隙在鄰近細胞間移動引發局部響應.系統或長距離調控信號上載進入維管束 ,轉運到遠距離靶細胞中行使功能[38].通過這些系統信號協同作用 ,“地上部”和“地下根”提高根際磷獲取 ,調節植物體內的磷分配和代謝 ,并且控制調控磷轉運和分配基因的表達[31 ,42].根的轉錄組研究揭示:參與磷吸收、恢復、油脂代謝、金屬離子轉運基因的表達受系統調控；而與脅迫或激素相關的響應受局部調控 ,根尖(包括分生區、根冠)是局部感應位點[43].

局部和系統信號的傳遞和整合對于優化植物組織對低磷的響應十分重要.源于根的信號包括磷(潛在長距離信號)、獨腳金內酯和細胞分裂素；源于地上部的信號包括miRNA、糖、液泡中Ca2＋/H＋轉運子介導信號.其中 ,miR399和蔗糖是2個低磷響應正向調控子[42].蔗糖扮演信號分子角色 ,對信號傳導至關重要.磷匱乏時 ,蔗糖誘導側根形成和根毛密度增加[23 ,27 ,44－46].施用外源蔗糖到低磷植物能夠上調低磷誘導基因表達和改變根構型.細胞分裂素是低磷響應負調控子 ,它拮抗作用于糖感應 ,兩者相互作用微調著植物低磷響應[42].乙烯在缺磷根中積累 ,參與根形態構型變化(局部信號) ,調控miR399的表達(系統低磷響應信號) ,在調節低磷局部和系統響應發揮突出作用(圖1)[6 ,42].植物根系在低磷脅迫后通過細胞內外質膜局部感應(1) ,產生兩個途徑:其一是導致低磷誘導(PSR)的基因表達和根系構型(RSA ,root system architec-ture)變化(2) ,提高磷的吸收能力(3) ,這些響應變化受到根部乙烯生物合成和響應的調節(4)；其二是通過根部低磷信號(5)上載進入木質部(6)轉運至植物地上部分 ,這種信號或磷下降導致地上部胞漿磷下降(7) ,并誘導啟動地上系統信號(8)和局部磷感應信號(9)；低磷信號誘導地上部系統信號因子(PHR1)提高下游的磷誘導PSR基因的表達(8→10) ,地上系統磷信號受乙烯調控(11).另外 ,系統信號(PSR基因 ,miR399等)通過韌皮部從“地上部”向“根”遷移 ,調節根部PSR基因表達 ,提高了磷的吸收能力(10→3).再者 ,一些磷誘導基因表達受乙烯生物合成和信號響應的調節(11→10)；而啟動系統信號導致葉片貯存磷下降(8→13) ,使得地上部分磷、乙烯信號與衰老信號途徑(12)形成信號聯系網絡.

圖1 乙烯信號融入低磷響應網絡[31]Fig.1 Ethylene signal integrated into the low phosphorus response network

3.2 植物低磷脅迫代謝網絡的分子應答和調控

低磷引起大量基因在基因轉錄翻譯水平上的表達響應[10].在缺磷脅迫擬南芥中 ,轉錄因子、低磷誘導基因、非編碼RNA等大約900－3000個基因的表達發生變化[47－52],它們構成復雜的磷代謝調控網絡.迄今為止 ,已經鑒定的代謝網絡成分包括轉錄因子、SPX亞家族蛋白、非編碼RNA(如 ,miRNA等)和蛋白修飾物 ,包括參與SUMOylation磷酸化、去磷酸化和蛋白轉運蛋白(如 ,At-PHF1).擬南芥的轉錄調控模塊PHR1、PHO2、miR399和At4 ,AtPHR1∷AtPHL1-P1BS以及At-MYB62、At-WRKY75、At-BHLH32等參與了擬南芥低磷響應[8 ,10 ,53].SIZ1、PHR1、miR399和PHO2構成最重要的缺磷信號傳導途徑[14].

PHR1是擬南芥的主要調控因子 ,在缺磷脅迫中具有重要作用.缺磷時 ,PHR1與PHL1控制絕多數轉錄激活和抑制[54].At-PHR1是最早鑒定的MYB轉錄因子亞家族的轉錄因子.該蛋白位于細胞核并作用于低磷信號途徑的下游基因[8].

miRNA協調表達使得植物能夠在低磷條件適應生存.足磷時 ,過量表達miR399能夠增加磷吸收和在“地上部”的分配 ,導致“地上部”的磷過度[15],低磷時 ,miR399是正向調控因子 ,能夠提高磷吸收和“根地上部”的磷分配 ,調控植物體內磷動態平衡.miR399在維管組織 ,特別是伴細胞和韌皮部中表達 ,能夠作為磷酸鹽動態平衡的長距離信號在韌皮汁液中移動[55－56].其活性還受非蛋白編碼基因IPS1調控[27 ,57].擬南芥中有3個miR399的預測靶基因PHT1；7、DEAD解旋酶和泛素結合酶E2 ,但是只有UBC24編碼的泛素結合酶E2被實驗證實[15].另外 ,擬南芥的miR165、miR778、miR827、miRNA2111受到強烈誘導表達 ,而miR169、miR395、miR398受到抑制[10].

PHO2-miR399-PHR1調控模塊是磷酸鹽信號途徑的關鍵因子[30].PHR1調控miR399表達和調節UBC24 E2的配子PHO2,而PHO2調節磷脅迫基因.miR399通過調控UBC24表達調節磷的動態平衡.磷脅迫時 ,miR399表達增加[58].隨著磷增加 ,miR399轉錄豐度迅速下降.其分子機理是UBC24含有miR399靶結合位點 ,過量表達miR399抑制UBC24的轉錄 ,增加幼芽磷積累 ,影響磷“再遷移”.足磷時 ,miR399表達量急劇減少 ,但UBC24卻高豐度表達[27].UBC24能夠提高蛋PSI蛋白水解總量.缺磷誘導PHR1 ,激活韌皮部miR399表達[10].miRNA抑制PHO2表達 ,增加磷吸收和轉移[59].

3.3 低磷誘導植物的酶適應

缺磷影響植物的氧化還原脅迫、物質和能量代謝 ,導致PEPC、蘋果酸脫氫酶、蘋果酸酶的基因轉錄和酶活性顯著上調[60－61].擬南芥、水稻、玉米等轉錄組研究已經表明:缺磷時 ,蔗糖合成酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、PPi-PFK、PPDK酶和線粒體電子轉運蛋白表達增強[10].缺磷脅迫時 ,擬南芥根系的醇脫氫酶、二硫鍵異構酶、消除L-抗壞血酸過氧化物酶1和蘋果酶、催化單脫水抗壞血酸還原酶、烏頭酸水合酶、ATP合成酶β亞基、檸檬酸合酶、乙酰輔酶A烯醇化酶產生了適應性變化[62].

3.4 低磷響應的基因性狀鑒定和基因工程

迄今為止 ,已經從擬南芥[63]、玉米[64－65]、小麥[66]、水稻[67－68]和大豆[69－70]等植物中發現有關耐低磷基因的數量性狀位點(QTL).Reymond et al[63]通過分離重組擬南芥自交系F6代獲得的近等位基因系精細繪制LPR1基因的QTL位于第1條染色體頂部2.5 mb的區域 ,之后 ,Svistoonoff et al[71]進一步確認LPR1位于36 kb的區域 ,細繪圖位點證明LPR1的QTL編碼多銅氧化酶 ,在根分生組織和根冠中高豐度轉錄表達 ,LPR1與PDR2相互作用調節根分生組織活性.Cai et al[72]在玉米中發現了適應低氮磷包括葉面大小、長度、寬度、葉綠素含量、開花時間以及粒粒產量的QTL位點.Qiu et al[65]在足磷和缺磷型兩種基因型玉米葉中發現了6個APA QTL位點 ,并通過分子輔助選擇和SSR標記目標群體篩選 ,使得AP9在第9條染色體定位縮小至546 kb的范圍內.玉米根系及根際中的APA QTL也得到確認.在低磷脅迫水稻中 ,利用SNP和SSR標記 ,在其第4、6和11染色體中發現了影響秸稈干重、谷粒重、總生物量、以及磷吸收能力的4個QTL簇[68].通過全基因組關聯在大豆第8條染色體中發現了AP1 ,其過量表達增加能夠增加磷的吸收效率 ,并且與其鏈鎖等位基因和單倍體的轉錄表達研究也表明其與高酶活性相關[73].

利用轉基因技術能夠鑒定低磷誘導基因的功能 ,提高低磷脅迫植物的適應性.在擬南芥中鑒定了5個轉運蛋白基因AtG3Pp1-AtG3Pp5 ,它們在保持磷動態平衡中存在差異性.其中 ,AtG3Pp1、AtG3Pp2在缺磷植株的根部分別增加24倍和3倍 ,而AtG3Pp3和AtG3Pp4在根部和葉中誘導表達.在含磷和缺磷條件下 ,敲除AtG3Pp4突變體中的次生根數量均顯著增加 ,并且多個參與根系發育缺磷和(或)磷動態平衡的基因上調表達[74].AtMYB62是擬南芥中葉片中特定缺磷響應、參與缺磷信號轉導和赤霉素合成途徑交互作用、體內磷動態平衡的負調控轉錄因子.過量表達MYB62導致根構型、磷吸收和酸性磷酸酶活性變化、植物地上部的總磷含量降低 ,產生赤霉素(GA)缺陷表型(施用GA可部分恢復這種表型) ,開花分子調節因子SOC1和SUPERMAN表達抑制[75].在低磷培養玉米的根發育過程中 ,過量表達ZmPTF1提高了生物產量、穗狀雄花枝和大種粒的數量 ,降低葉片可溶性糖 ,增加根可溶性糖；增加果糖1-6二磷酸酶和蔗糖磷酸酶1在葉片中的表達 ,但是降低了兩者在根中的表達[25].在水稻中 ,過量表達PHR1則會導致芽中磷過度積累 ,并且激活磷誘導基因和磷轉錄因子基因表達.過量表達PHR2則會引起根伸長和根毛增加[6].

4 前景與展望

植物體內磷分布、吸收、同化 ,低磷脅迫的生理生化響應、信號網絡調控、分子響應等研究對于提高磷在植物體內代謝利用效率 ,培育耐低磷品種、提高產量和品質具有重要的意義.因此 ,植物低磷代謝調控依然是今后研究的熱點.

4.1 建立融入“源—庫—流”低磷脅迫響應的理論模型

構建低磷植物的代謝模型 ,根據生長、發育狀態 ,對磷的吸收、轉運、同化等代謝過程以及信號網絡實時示蹤檢測 ,在組織水平和細胞水平上評估“源”“庫”中“磷流”的大小及分配 ,以更好獲得磷的供需平衡[14].利用植物磷代謝的田間試驗分析和動態分析模型相結合的研究方法 ,建立合理的“源”“庫”比率模型 ,從生理、生物化學、分子生物學等水平準確評估源庫器官發育狀況——磷利用的效能比和磷利用效率.充分考慮磷響應差異基因型對種子營養成分變化的影響 ,把它作為提高潛在產量的特征指標[76－77],達到培育耐低磷、高效磷利用的新品種 ,以減少對磷施用過度依賴的目的[27].

4.2 低磷脅迫響應功能基因的發掘、鑒定與利用

在傳統育種基礎上 ,開展基因組學、QTL、新一代高通量測序、表觀遺傳學等研究 ,利用擬南芥、水稻等模式植物 ,培育近等位基因系、重組自交系、單基因突變體 ,進一步克隆和鑒定QTL調控的基因[27].通過構建融核表達載體、基因敲除等方法鑒定低磷脅迫轉運蛋白的功能和發掘新功能基因[9 ,74].對植物適應低磷脅迫的表觀遺傳機制深入研究 ,特別是表觀遺傳變化 ,以及挖掘鑒定低磷表觀遺傳基因 ,解析適應低磷脅迫的基因表達模式和機理等研究 ,將有利于提高植物適應低磷脅迫 ,培育并獲得耐低磷的高產新種質.

4.3 揭示低磷代謝響應信號網絡的精細調控機理

植物局部和系統信號途徑的缺磷響應 ,參與適應響應基因的協調表達 ,特別是miRNA的作用機理、部位、效應 ,轉錄因子挖掘及功能解析等仍然是研究的重要領域[59].從生理生化響應、表觀遺傳特征 ,到低磷代謝網絡、分子響應與調控網絡多層次解析植物磷調控的代謝網絡、精細地調控基因表達.①進一步揭示控制系統磷動態平衡、調節吸收、轉運信號調控的分子組成 ,包括控制蛋白穩定的PHO2 ,韌皮部遷移的miR399 ,這是將來提高作物磷利用率重要步驟.準確調控“地上部→地下部”的“磷流”[14].將來研究應更多地聚集于PHO2調控模塊上下游功能的機制解析 ,其最大回報在于:回答磷如何被感應?究竟多少機制是miR399和IPS1等基因表達的上游激活因子?②在低磷代謝信號網絡研究中可能面臨的挑戰是:如何感應系統信號和鑒定系統信號的下游響應?研究信號分子移動的基礎機制與調控 ,區分磷變化的初級與次級信號響應.發展跟蹤、檢測高靈敏度和高分辨率信號技術 ,探求發現信號網絡的策略[42].③低缺磷脅迫植物激素 ,如細胞分裂素、生長素、乙烯等與蔗糖信號相互作用機理 ,低磷響應與其它營養元素、植物激素協同作用會成為今后研究的熱點.此外 ,轉錄因子功能、表型效應、植物磷信號網絡、植物激素交互作用等也具有廣泛的研究價值[9].

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(責任編輯:吳顯達)

The response to low phosphorus stress and its regulation mechanism in plants

WANG Bao-ming ,CHEN Yong-zhong ,WANG Xiang-nan ,CHEN Long-sheng ,PENG Shao-feng ,WANG Rui ,MA Li ,YANG Xiao-hu ,LUO Jian
(National Engineering Technology Research Center of Oil-tea Camellia ,Hunan Academy of Forestry ,Changsha ,Hunan 410004 ,China)

The mechanisms of absorption ,migration ,assimilation of phosphorus in soil ,and distribution ,absorption ,transportation and metabolism of phosphorus in plants are reviewed ,and the physiological and biochemical responses ,regulatory effects of plant hormone ,genetic changes and acclimation of plants under the phosphorus deficiencies are summarized.Furthermore ,the phosphorus metabolism network ,molecular response and regulation and the adaptive changes of the metabolic enzymes in response to the low phosphorus stress in plants are revealed ,and the advances in identification for the genetic traits and genetical engineering applica-tions are elaborated.Finally ,the way to increase the phosphorus use efficiency ,facing challenges and application prospects are put forward.

low phosphorus stress；metabolism；response；regulation；effect；signal network；application prospect

Q945；Q756

A

1671-5470(2015)06-0567-09

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.06.002

2014－11－04

2014－11－25

國家林業公益性行業科研專項重大項目(201404702)；國家自然科學基金項目(31370677).

王保明(1967－) ,男 ,博士.研究方向:經濟林栽培育種和林木生物技術.Email:wangbaoming863＠126.com.通訊作者陳永忠(1965－) ,男 ,研究員 ,博士.博士生導師.研究方向:油茶栽培育種.Email:chenyongzhong06＠163.com?