分子植物科學卓越創新中心在叢枝菌根共生“自我調節”研究中取得重大進展

文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2021-10-12  |  【打印】 【關閉

  

  2021年10月12日,中國科學院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组在国际顶尖学术期刊《细胞》上发表题为“A Phosphate Starvation Response (PHR)-centered network regulates mycorrhizal symbiosis”的封面论文,该研究首次揭示了植物磷信号网络控制菌根共生的分子机制。

  磷元素是植物體重要的組成成分,參與植物體內衆多酶促反應及信號轉導過程。磷酸鹽是植物從土壤中獲取磷元素的主要形式,然而磷元素主要以有機磷或難溶性鹽的形式存在于土壤中,不利于植物吸收。多數植物除了通過根系直接從土壤中吸收磷元素(根途徑)之外,還演化出與叢枝菌根真菌建立共生關系間接從環境中獲取磷元素(共生途徑)。

  菌根共生是自然界中普遍存在的一种共生关系:宿主植物以脂肪酸的形式为菌根真菌提供碳源,用于其生长和繁殖(Jiang et al., Science 2017);菌根真菌则增加宿主植物对矿质营养元素,尤其是磷元素的获取(Sanders et al, Nature 1971; Wang et al., Molecular Plant 2017)。过去50多年的研究发现:植物根据磷营养状态调控其与丛枝菌根真菌之间的共生,研究人员称之为菌根共生的“自我调节”(“self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis),但其机制未知。

  研究以水稻中菌根共生相關基因的啓動子爲誘餌,進行水稻轉錄因子文庫篩選,首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡,並驗證了多個調控叢枝菌根共生的轉錄因子。令人意外的是,磷響應轉錄因子OsPHR1/2/3處于菌根共生轉錄調控網絡的核心位置。進一步研究發現,PHRs通過結合P1BS順式作用元件激活菌根共生相關基因的表達,正向調控叢枝菌根共生。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胞,表明PHRs是菌根共生關鍵調控因子。

  SPX是磷的感受器,通過蛋白互作抑制PHRs結合到目的基因的啓動子上,抑制低磷響應基因的表達。研究發現,水稻中的SPX1能夠抑制OsPHR2激活菌根共生相關基因的表達。PHR過量表達植株和SPX缺失突變體的菌根共生對高磷處理不敏感,表明高磷通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。因此,該研究闡明了菌根共生領域植物“自我調節”這一困擾領域的重要科學問題。

  爲了獲取糧食的豐收,農業生産施加大量的含磷化肥,嚴重汙染生態環境,是我國農業生産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和間接通過叢枝菌根共生磷營養吸收的目的,降低農業磷肥的施用,爲農業生産的可持續發展提供新的方案。

  分子植物科学卓越创新中心博士后石进彩为第一作者,王二涛研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中科院基础研究青年科学家项目、中國科學院先导科技专项和国家重点研发项目的资助。

  論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030

  

  水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡

  

  Cell封面圖