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10月12日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術期刊《細胞》（Cell）上發(fā)表封面論文《A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis（磷信號中樞網絡調控菌根共生）》，首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡，發(fā)現(xiàn)植物直接磷營養(yǎng)吸收途徑（根途徑）和菌根共生磷營養(yǎng)吸收途徑（共生途徑）均是受到植物的磷信號網絡統(tǒng)一調控，回答了菌根共生領域“自我調節(jié)”這一困擾領域的重要科學問題。

磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一，是植物體重要的組成成分，廣泛參與植物體內眾多酶促反應及細胞信號轉導過程。在農業(yè)生產中，為提高農作物產量，目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥來實現(xiàn)增產，但同時也造成了嚴重的環(huán)境污染。

王二濤研究員介紹，植物主要通過兩種途徑獲取營養(yǎng)：第一種是植物根系直接從土壤吸收營養(yǎng)，稱為直接營養(yǎng)吸收途徑；植物在感知土壤中的氮、磷等營養(yǎng)元素濃度后，通過根的外表皮層和根毛細胞直接從土壤中吸收營養(yǎng)元素。第二種是植物通過與菌根真菌共生從外界環(huán)境中獲取營養(yǎng)，稱為間接營養(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化發(fā)生在同一時期，是自然界中最古老的共生關系，是植物適應陸地環(huán)境關鍵事件之一。“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。”王二濤說。

王二濤研究組2017年發(fā)表在《科學》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，而菌根真菌會幫助宿主植物增加對磷等營養(yǎng)元素的吸收。

過去50多年的研究發(fā)現(xiàn)：植物根據自身的磷營養(yǎng)狀態(tài)調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“自我調節(jié)”（“self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis）,但其調節(jié)機制未知。

PHR (Phosphate Starvation Response)是調控植物根途徑磷元素吸收的核心轉錄因子。在低磷條件下，PHR能夠結合在低磷響應基因啟動子的P1BS元件上，激活低磷響應基因的表達，增加植物磷元素的吸收。植物體的磷元素感受器SPX通過與PHRs之間的互作，抑制植物的低磷響應。

在本研究中，以水稻菌根共生相關基因的轉錄調控區(qū)域為誘餌，篩選水稻轉錄因子文庫，首次繪制了叢枝菌根共生的轉錄調控網絡，鑒定到多個參與調控叢枝菌根共生的轉錄因子，其中轉錄因子PHRs處于該調控網絡的核心。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，PHRs通過P1BS元件直接調控菌根共生相關基因的表達，從而正向調控水稻-叢枝菌根共生。該研究還發(fā)現(xiàn)PHR2過量表達植株和磷感受器SPX的突變體都表現(xiàn)出對高磷處理抑制菌根共生的不敏感性，表明高磷是通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。

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

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