植物耐低磷的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

孟令芝 ，樊 娟 ，陳 釗 ，李亞娟 ，王興春 ，楊致榮

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，山西太谷030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，

山西太谷030801；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，廣東廣州510642；5.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物工程研究所，山西太谷030801）

磷作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，是組成生物膜的重要成分，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著不可或缺的作用[1]。但是，由于全球土壤普遍缺磷，人們只能通過(guò)增施磷肥來(lái)保證磷供應(yīng)。即便如此，全球30%的耕地仍然存在缺磷現(xiàn)象，因施用高磷肥的結(jié)果會(huì)造成更大比例的磷流失[2]。近年來(lái)，山西土壤普查結(jié)果顯示，土壤有效磷含量有所上升，但不科學(xué)的耕作制度也造成了養(yǎng)分發(fā)展的不平衡和環(huán)境的嚴(yán)重污染[3]。因此，如何高效地利用磷受到了人們的普遍關(guān)注，對(duì)其分子機(jī)制的研究更受到了高度重視。

國(guó)外對(duì)作物磷營(yíng)養(yǎng)效率基因型差異的研究起步較早，早在20世紀(jì)初就由Smith率先在玉米上進(jìn)行研究，之后人們相繼對(duì)黑麥、小麥、大麥、高粱、豆類、番茄、三葉草等作物進(jìn)行了相關(guān)研究[4]。2005年，國(guó)際上第一個(gè)在植物中具有明確提高磷效率功能的轉(zhuǎn)錄因子OsPTF1在浙江大學(xué)被克隆成功[5]。在此之后，低磷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子的研究受到廣泛關(guān)注，如MYB家族中的MYB62和PHR1等。同時(shí)，PHR1的2個(gè)靶基因PHO1和PHO2也是低磷誘導(dǎo)基因。其中，PHO1基因也受到WRKY家族中WRKY6的調(diào)控。除WRKY6之外，WRKY家族中的WRKY42，WRKY75也對(duì)磷酸內(nèi)穩(wěn)態(tài)起到了重要作用[6-7]。

筆者介紹了國(guó)內(nèi)外各種低磷誘導(dǎo)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究現(xiàn)狀以及影響轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的因素，希望為今后開(kāi)展相關(guān)低磷誘導(dǎo)基因的研究和應(yīng)用工作奠定理論基礎(chǔ)。

1 植物低磷脅迫轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控

有研究表明，當(dāng)植物受到低磷脅迫時(shí)，一些基因被誘導(dǎo)表達(dá)，植物的生理構(gòu)型就會(huì)隨之發(fā)生改變[8]。這些被誘導(dǎo)的基因并非獨(dú)立存在，而是相輔相成的。同時(shí)，這些基因會(huì)引起植物體內(nèi)某些營(yíng)養(yǎng)元素的變化，以此誘導(dǎo)形態(tài)變化，使之利于磷的吸收。

擬南芥中的MYB轉(zhuǎn)錄因子PHR1與磷饑餓響應(yīng)有重要的聯(lián)系。在phr1突變體中，花青素的積累量、淀粉和糖的含量都比野生型低，AGP酶活性也較低，因此，易受到磷饑餓誘導(dǎo)基因的影響，導(dǎo)致發(fā)育緩慢，根冠比和花青素含量明顯低于野生型[9]。另外，在缺磷時(shí)受到光脅迫的phr1突變體中PSII的量子產(chǎn)量也明顯減少，而PSII與光淬滅相關(guān)。由此可以推斷，PHR1可能影響植物的光合作用，避免光系統(tǒng)在高光強(qiáng)下受到永久傷害[10]。

PHO1和PHO2都是PHR1的靶基因，過(guò)量表達(dá)PHR1可以提高PHO1和PHO2的轉(zhuǎn)錄水平。Hamburger等[11]通過(guò)圖位克隆的方法從擬南芥中分離到了PHO1基因。序列分析表明，PHO1有10個(gè)同源基因，其中，受到磷酸脅迫正調(diào)控的基因僅有3個(gè)，分別是 AtPHO1，AtPHO1；H1 和 AtPHO1；H10。PHO1和PHO1；H1定位于根和幼苗的維管束，其中，AtPHO1；H1在正常情況下表達(dá)量很低，缺磷時(shí)受到PHR1轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控而使表達(dá)量增加。無(wú)論缺磷與否，在含有蔗糖的培養(yǎng)基中，AtPHO1和At－PHO1；H1轉(zhuǎn)錄水平都有所升高，而AtPHO1；H10卻受到抑制[12]。與蔗糖合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子SUC2過(guò)量表達(dá)也可引起擬南芥磷酸高敏感突變體出現(xiàn)相關(guān)表型[13]。說(shuō)明蔗糖也會(huì)影響磷誘導(dǎo)基因的表達(dá)。

WRKY6通過(guò)調(diào)控PHO1的表達(dá)適應(yīng)磷脅迫，它的過(guò)量表達(dá)又可以抑制PHO1的表達(dá)，PHO1表達(dá)又抑制了WRKY42的轉(zhuǎn)錄，說(shuō)明WRKY6和WRKY42都與PHO1表達(dá)調(diào)控?cái)M南芥低磷脅迫響應(yīng)有關(guān)[14]。此外，WRKY75對(duì)PHO1表達(dá)的抑制會(huì)在低磷時(shí)減弱。通過(guò)微陣列分析發(fā)現(xiàn)，WRKY75可以正調(diào)控?cái)M南芥中磷吸收和根系發(fā)育。同時(shí)，微陣列分析結(jié)果也表明，另一個(gè)對(duì)磷負(fù)調(diào)控的C2-H2型鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子ZAT6在缺磷時(shí)明顯被誘導(dǎo)。ZAT6過(guò)量表達(dá)也抑制了一些磷脅迫基因的表達(dá)，暗示了它影響磷酸內(nèi)穩(wěn)態(tài)的很多方面[15]。

在磷供應(yīng)充足的情況下，pho2突變體會(huì)在葉片中積累一定的磷。微體嫁接表明，pho2突變體的根部構(gòu)型有助于葉片中磷的積累。圖位克隆發(fā)現(xiàn)，PHO2是罕見(jiàn)的E2結(jié)合酶基因，同時(shí)也是受低磷特異誘導(dǎo)表達(dá)的microRNAmiR399的底物。此外，一些在缺磷phr1突變體中受到抑制的磷酸響應(yīng)基因，在不缺磷的pho2突變體中卻受到正調(diào)控。可見(jiàn)，PHO2和miR339是PHR1下游進(jìn)行磷酸調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分支[16]。

BHLH32也是一個(gè)磷酸饑餓響應(yīng)的負(fù)調(diào)控基因。bhlh32突變體不缺磷時(shí)，磷饑餓誘導(dǎo)基因的表達(dá)量、花青素積累量、總磷含量以及根毛數(shù)目都比野生型明顯上升。被BHLH32負(fù)調(diào)控的某些基因可以編碼 PPCK（phosphoenolpyruvatecarboxylasekinase），而PPCK在修飾新陳代謝時(shí)會(huì)造成磷損耗[17]。

可見(jiàn)，這些耐低磷轉(zhuǎn)錄因子互相作用的同時(shí)影響其他化合物的合成，形成一個(gè)大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，然后共同影響植物中的磷酸內(nèi)穩(wěn)態(tài)。因此，可以采取各個(gè)擊破的方式，對(duì)這些轉(zhuǎn)錄因子分別進(jìn)行功能研究及表達(dá)分析，找到它們之間的聯(lián)系，最終得到一個(gè)完整的磷酸調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

2 低磷脅迫轉(zhuǎn)錄因子與激素調(diào)控

低磷脅迫時(shí)，低磷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子可以刺激赤霉素合成，乙烯、脫落酸等激素又會(huì)影響磷酸信號(hào)傳導(dǎo)通路，影響磷吸收。

DELLA蛋白是赤霉素信號(hào)通路的核心組成部分，該通路在缺磷時(shí)有助于植物花青素積累和根系形態(tài)變化（如根毛長(zhǎng)度的調(diào)控）[18]。此外，過(guò)量表達(dá)MYB62會(huì)出現(xiàn)典型的赤霉素缺失表型，所有GA生物合成基因的調(diào)控都受MYB62影響。

乙烯對(duì)植物耐低磷響應(yīng)有間接的影響，它能夠調(diào)節(jié)不同濃度磷酸條件下根系的相對(duì)伸長(zhǎng)率，改變磷酸信號(hào)傳導(dǎo)通路，使植物根系適應(yīng)低磷環(huán)境[19]。脫落酸會(huì)誘導(dǎo)一些與耐低磷相關(guān)的鋅指蛋白基因在受磷脅迫的植株中表達(dá)。此外，生長(zhǎng)素響應(yīng)基因表達(dá)量在磷脅迫植株中也普遍下調(diào)[20]。另外，細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)激素等也會(huì)對(duì)磷吸收產(chǎn)生一定的影響。

3 低磷脅迫轉(zhuǎn)錄因子與根系生長(zhǎng)發(fā)育

植物缺磷時(shí)會(huì)引起一些形態(tài)變化來(lái)適應(yīng)低磷脅迫，這種變化主要來(lái)自根系方面。如低磷時(shí)根系為了吸收到更多的磷，根毛密度大大增加，根系形態(tài)發(fā)生明顯變化[21-22]。近年來(lái)的研究表明，WRKY75[23]和ZAT6[15]等轉(zhuǎn)錄因子參與了低磷脅迫時(shí)根系發(fā)育的調(diào)控。之所以會(huì)發(fā)生根系形態(tài)的變化，與耐低磷轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控某些促進(jìn)根系生長(zhǎng)、細(xì)胞分裂的激素有關(guān)。這一觀點(diǎn)已有一定的研究基礎(chǔ)，但還有待進(jìn)一步探索。

4 磷相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)花青素積累的調(diào)控

眾所周知，植物缺磷的一個(gè)典型特征就是花青素積累。然而，phr1突變體在低磷脅迫時(shí)無(wú)花青素的積累，在激素脅迫時(shí)卻可以正常積累花青素，表明PHR1特異地調(diào)控了低磷脅迫時(shí)花青素的積累[24]。與PHR1不同，BHLH32是低磷反應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子，功能缺失突變體bhlh32在正常條件下積累更多的磷和花青素[17]。在bhlh32突變體中，花青素合成的關(guān)鍵基因DFR的表達(dá)量明顯升高[17]，表明BHLH32是花青素合成的一個(gè)負(fù)調(diào)控因子。除此之外，ZAT6[15]，WRKY6[14]，WRKY75[23]和 MYB62[25]等已知的磷相關(guān)基因都與花青素的合成或積累有關(guān)。表明植物缺磷與花青素積累之間有密切的聯(lián)系。

5 展望

當(dāng)植物缺磷時(shí)，一些耐低磷的轉(zhuǎn)錄因子被誘導(dǎo)，使其下游的靶基因表達(dá)量上升或下調(diào)，引起這些基因調(diào)控的激素水平改變，調(diào)控植物發(fā)生形態(tài)變化，最終適應(yīng)缺磷環(huán)境，達(dá)到磷高效利用的目的。盡管已有百余個(gè)磷營(yíng)養(yǎng)效率候選基因相繼被克隆，但其耐低磷脅迫相關(guān)機(jī)制尚需進(jìn)一步研究[26]。這些耐低磷脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子只要有一個(gè)發(fā)生突變，就會(huì)引起其他轉(zhuǎn)錄因子及一些基因的變化，從而使整個(gè)植物的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。研究磷吸收的分子機(jī)制是解決磷高效利用、保護(hù)環(huán)境和減少資源浪費(fèi)的根本方法。

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