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研

進(jìn)

展

2021年10月12日，分子植物卓越中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表題為“A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis（磷信號(hào)中樞網(wǎng)絡(luò)調(diào)控菌根共生）”的封面論文。首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)植物直接磷營(yíng)養(yǎng)吸收途徑（根途徑）和共生磷營(yíng)養(yǎng)吸收途徑（共生途徑）均是受到植物的磷信號(hào)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)控，回答了菌根共生領(lǐng)域“自我調(diào)節(jié)”這一困擾領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。

研究背景

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，是植物體重要的組成成分，廣泛參與植物體內(nèi)眾多酶促反應(yīng)及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

植物主要通過(guò)兩種途徑獲取營(yíng)養(yǎng)：第一種是植物根系直接從土壤吸收營(yíng)養(yǎng)，稱為直接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑；植物在感知土壤中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度后，通過(guò)根的外表皮層和根毛細(xì)胞直接從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素。第二種是植物通過(guò)與菌根真菌共生從外界環(huán)境中獲取營(yíng)養(yǎng)，稱為間接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑。

植物和叢枝菌根真菌建立共生與植物由水生向陸生進(jìn)化發(fā)生在同一時(shí)期，是自然界中最古老的共生關(guān)系，是植物適應(yīng)陸地環(huán)境關(guān)鍵事件之一。叢枝菌根共生是最普遍的一種共生，是植物從環(huán)境中高效獲取營(yíng)養(yǎng)的重要途徑，叢枝菌根真菌提供給宿主植物的磷元素占宿主植物總磷獲取量的70%以上。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組2017年發(fā)表在《科學(xué)》的研究工作表明，在菌根共生中，宿主植物以脂肪酸的形式為菌根真菌提供碳源，而菌根真菌會(huì)幫助宿主植物增加對(duì)磷等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。

過(guò)去50多年的研究發(fā)現(xiàn)：植物根據(jù)自身的磷營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控其與叢枝菌根真菌之間的共生，研究人員稱為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”（“self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis），但其調(diào)節(jié)機(jī)制未知。

菌根共生的叢枝結(jié)構(gòu)

研究過(guò)程

研究以水稻中菌根共生相關(guān)基因的啟動(dòng)子為誘餌，進(jìn)行水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫(kù)篩選，首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并驗(yàn)證了多個(gè)調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子。令人意外的是，磷響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子OsPHR1/2/3處于菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心位置。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PHRs通過(guò)結(jié)合P1BS順式作用元件激活菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)，正向調(diào)控叢枝菌根共生。Osphr1/2/3三突變體中，菌根真菌不能有效定殖水稻根部皮層細(xì)胞，表明PHRs是菌根共生關(guān)鍵調(diào)控因子。

SPX是磷的感受器，通過(guò)蛋白互作抑制PHRs結(jié)合到目的基因的啟動(dòng)子上，抑制低磷響應(yīng)基因的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，水稻中的SPX1能夠抑制OsPHR2激活菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)。PHR過(guò)量表達(dá)植株和SPX缺失突變體的菌根共生對(duì)高磷處理不敏感，表明高磷通過(guò)PHR-SPX模塊抑制菌根共生。

高磷通過(guò)SPX-PHR模塊控制菌根共生

相關(guān)信息

為了獲取糧食的豐收，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施加大量的含磷化肥，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問(wèn)題之一。通過(guò)提高PHR基因的表達(dá)，有望達(dá)到增加水稻直接吸收磷營(yíng)養(yǎng)和間接通過(guò)叢枝菌根共生磷營(yíng)養(yǎng)吸收的目的，降低農(nóng)業(yè)磷肥的施用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新的方案。

分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后石進(jìn)彩為第一作者，王二濤研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。

王二濤研究員及其團(tuán)隊(duì)合影

漫畫(huà)解讀

本文轉(zhuǎn)載自中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的转录组+微生物组联合解密困扰50年的丛枝菌根共生“自我调节”中枢分子网络机制...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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