菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的分子機(jī)制

李 芳，郝志鵬，陳保冬*

（1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

磷 (P) 是植物體內(nèi)很多重要有機(jī)化合物如核酸、磷脂等的組成成分[1]，參與植物體內(nèi)的許多基礎(chǔ)代謝過程，如氮素代謝、脂肪代謝等，同時也是調(diào)節(jié)能量代謝、酶促反應(yīng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程所必需的元素[2]。在酸性土壤中，磷酸鹽與鋁和鐵形成難溶復(fù)合物，而在堿性土壤中磷酸鹽與鈣絡(luò)合，導(dǎo)致土壤溶液中磷酸鹽濃度極低，造成土壤對作物供磷不足[3]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磷肥施入土壤后大約有85%～90%變成植物難以利用的形態(tài)[4]，施肥當(dāng)季磷利用率普遍很低，低磷脅迫成為制約農(nóng)作物生長的重要因素[5]。另一方面，磷肥的主要生產(chǎn)原料磷礦粉是不可再生的自然資源，但為了確保作物的生產(chǎn)力，施用磷肥已經(jīng)成為常態(tài)，無論從經(jīng)濟(jì)角度或者生態(tài)角度考慮這種做法都是難以持續(xù)的，因此提高土壤磷的利用效率一直以來都是土壤和植物營養(yǎng)學(xué)家的一個挑戰(zhàn)。

植物長期生長在低磷環(huán)境中，進(jìn)化出一系列適應(yīng)機(jī)制，如增加根冠比與側(cè)根長度、釋放有機(jī)酸活化土壤磷等。植物與菌根真菌形成共生體系也是植物對低磷脅迫的一種重要適應(yīng)機(jī)制[6]。菌根是指土壤菌根真菌侵染植物營養(yǎng)根所形成的共生體系。叢枝菌根真菌 (arbuscular mycorrhizal fungi，AMF) 是菌根真菌的重要類群，遍布于所有陸地生態(tài)系統(tǒng)，能夠與絕大多數(shù)陸生高等植物形成共生關(guān)系，其生物量約占土壤微生物總量的5%～50%[7-8]。AMF 能改善宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)和抗逆性，特別是可以有效增強(qiáng)宿主磷吸收能力[9]。AMF 能擴(kuò)大宿主植物根系的吸收面積[10]，釋放有機(jī)酸和土壤酶活化土壤磷[11]。同時，AMF 磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與磷酸鹽的親和力高，菌絲中磷的轉(zhuǎn)運(yùn)速率比根中轉(zhuǎn)運(yùn)快[12]。應(yīng)用AMF 能夠大幅度提高作物對土壤磷的利用效率，減少磷肥施用，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[13]。

目前已有很多研究從不同角度揭示了菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的生理機(jī)制，近年來新的分子生物學(xué)技術(shù)如高通量測序、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及代謝組學(xué)的應(yīng)用，使得我們對宿主植物和菌根真菌協(xié)同適應(yīng)低磷脅迫的分子和信號機(jī)制有了更為深入的認(rèn)識，但這些研究還比較分散，缺乏系統(tǒng)性的總結(jié)。菌根共生體系感知和適應(yīng)磷缺乏的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍舊存在很多研究空白?；诖耍疚木C述了國內(nèi)外關(guān)于菌根植物適應(yīng)低磷脅迫分子響應(yīng)機(jī)制方面的研究進(jìn)展，分析當(dāng)前研究工作中存在的不足，并提出未來應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)的研究。

1 植物和菌根真菌感知磷脅迫信號

磷不僅作為營養(yǎng)物質(zhì)被菌根植物吸收利用，同時又可以作為一種信號來調(diào)控共生體系的建成和發(fā)育。細(xì)胞內(nèi)磷濃度的增加可以抑制磷饑餓反應(yīng)，因此也可以將磷看作信號物質(zhì)[14]，亞磷酸鹽或磷酸酯(Phi) 是磷酸鹽類似物，能被植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收，但是在細(xì)胞內(nèi)不能被氧化為磷酸鹽 (Pi) 而參與代謝。研究發(fā)現(xiàn)在低Pi 條件下，外源施加Phi 減弱甚至中止磷饑餓反應(yīng)[15]，Phi 和Pi 之間結(jié)構(gòu)相似并且Phi 不能作為營養(yǎng)物質(zhì)，因此Phi 是作為信號調(diào)控植物磷饑餓反應(yīng)的。研究表明，土壤中磷濃度的變化可以影響植物根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)[15]?？偠灾准茸鳛闋I養(yǎng)元素又作為信號物質(zhì)調(diào)控植物生長發(fā)育。那么，植物與AMF 是怎么感受磷信號的呢？

以前的研究認(rèn)為根細(xì)胞膜定位傳感器和細(xì)胞內(nèi)傳感器分別感知外部磷酸鹽濃度和內(nèi)部磷營養(yǎng)狀態(tài)的變化[16]。植物的生長是由內(nèi)源性信號和環(huán)境因子共同調(diào)節(jié)的，而植物對于磷信號的感知也取決于兩個方面，其一是對環(huán)境介質(zhì)中的磷濃度的局部感知[17-19]，二是植株內(nèi)部的磷狀態(tài)調(diào)節(jié)[20-21]。局部Pi 濃度傳感和信號傳導(dǎo)可以啟動根系結(jié)構(gòu)調(diào)整以增強(qiáng)根系對Pi 的攝取能力，無論枝條中的磷狀態(tài)如何，初級根尖與含磷基質(zhì)的物理接觸是必要的，這使得局部Pi 信號被植株感知[26]，而植物本身磷營養(yǎng)狀態(tài)或長距離信號傳導(dǎo)則用于調(diào)節(jié)植株體內(nèi)Pi 的活化和再分配[22-23]?；诜指囵B(yǎng)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，參與Pi 攝取重獲和脂質(zhì)代謝的基因通常是系統(tǒng)性調(diào)節(jié)的，而與應(yīng)激或激素反應(yīng)相關(guān)的基因在局部受到調(diào)節(jié)[19]。土壤中的Pi 主要由植物根系吸收，通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(phosphate transporter，PT) 轉(zhuǎn)運(yùn)到植物體內(nèi)[24]。在很多情況下，尚不清楚實(shí)際參與Pi 轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的詳細(xì)信息。磷信號被相應(yīng)功能的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白感知從而傳遞到植物體內(nèi)，植物體內(nèi)存在兩種形式的磷素運(yùn)載模式，一是低磷條件下對磷具有高親和力的高效吸收轉(zhuǎn)運(yùn)模式，二是對磷親和力低的組成型運(yùn)載模式[25]，根系會根據(jù)感受到的不同磷信號產(chǎn)生不同的響應(yīng)，如磷的轉(zhuǎn)運(yùn)、根系構(gòu)型改變、根分泌物變化、代謝通路改變、脂質(zhì)重塑與促進(jìn)菌根共生等。有研究發(fā)現(xiàn)植物內(nèi)部的感受器如P D R 2(P 5 型ATP 酶)、LPR1/LPR2 等能夠感受外部磷信號的變化[26]，調(diào)節(jié)分生組織的活性，在磷缺乏條件下植物根分生組織耗竭而使根系變得短粗[27]。對于植物養(yǎng)分吸收來說，外界磷濃度的變化會引發(fā)植株不同的反應(yīng)，然而對于磷信號的定量研究仍舊非常匱乏，磷作為營養(yǎng)元素和信號物質(zhì)，目前尚不能明確哪一“身份”在后續(xù)的植物生理反應(yīng)中起主導(dǎo)作用[14]。

菌根植物通常有兩條磷吸收途徑:直接通過根表皮和根毛 (直接途徑) 與間接通過AMF 根外菌絲吸收進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)到根皮質(zhì)細(xì)胞 (菌根途徑)。在根外菌絲中，Pi 分別由H+-ATP 酶和Na+-ATP 酶驅(qū)動通過H+/Pi 共轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和Na+/Pi 共轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)攝取，并通過液泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白聚合物 (VTC) 在液泡中聚合成多聚磷酸鹽 (Poly-P)[28]。將AMF 從磷缺乏的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)到磷充足培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，Pi 會快速聚集并且形成大量的Poly-P[29]。目前對于Pi 是如何通過菌絲體與根細(xì)胞之間的質(zhì)外體界面仍舊未知[30]。Poly-P 可能經(jīng)由AMF 水通道蛋白 (AQP 3) 介導(dǎo)的水流長距離運(yùn)輸?shù)剿拗髦衃31-32](圖1)。Pi 通過液泡多磷酸酶從Poly-P 釋放，通過液泡Pi 輸出器 (PHO91) 輸出到胞質(zhì)溶膠中，然后摻入ATP 中進(jìn)行聚合。通過這些過程，AMF 能夠在數(shù)小時內(nèi)積累大量Poly-P 而不會對細(xì)胞Pi 水平產(chǎn)生擾動，使得AMF 細(xì)胞Pi 穩(wěn)態(tài)得到嚴(yán)格調(diào)節(jié)[33]。

在缺磷條件下，菌根真菌與植物根系更容易建立共生體系[34]。Pi 缺乏刺激根中獨(dú)腳金內(nèi)酯 (SL) 生物合成并分泌到土壤中。SL 作為根際信號調(diào)節(jié)宿主植物與AMF 的相互作用，誘導(dǎo)AMF 分支和菌根侵染[35]。反之，高水平的磷營養(yǎng)供給會抑制共生體系的形成。高磷濃度下，類胡蘿卜素 (SL 的前體) 生物合成相關(guān)基因的表達(dá)受到抑制，菌根特異性誘導(dǎo)的PT 基因表達(dá)下調(diào)[36]，同時植物的ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)子PDR1基因的表達(dá)受到抑制。PDR1 調(diào)控SL 向細(xì)胞外的分泌，在調(diào)節(jié)AMF 發(fā)育過程中起到關(guān)鍵作用[37]，PDR1基因表達(dá)受抑最終會導(dǎo)致高磷脅迫下菌根侵染率下降[38]。不同AMF 種類對于磷濃度的響應(yīng)表現(xiàn)出差異[39]，不同的磷信號也會引發(fā)植物和AMF中不同的生物過程響應(yīng)[40]，例如在不同磷水平下菌根植物中與磷饑餓相關(guān)的轉(zhuǎn)錄物質(zhì)的積累表現(xiàn)出很大差異。

2 菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的分子機(jī)制

2.1 調(diào)控植物激素及有機(jī)酸、磷酸酶合成相關(guān)基因的表達(dá)

圖 1 叢枝菌根共生體系中Pi 吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of Pi uptake and translocation in arbuscular mycorrhizal symbiosis

植物激素是植物發(fā)育和應(yīng)對環(huán)境脅迫的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[41]，通過影響根系生長和糖信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)植物對磷的攝取。應(yīng)用基因芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)了在磷脅迫下激素生物合成基因在轉(zhuǎn)錄水平的變化[42]。有充分證據(jù)表明，在缺磷條件下植物根系結(jié)構(gòu)顯示出很大的可塑性，生長素、乙烯、細(xì)胞分裂素、獨(dú)腳金內(nèi)酯、赤霉素和脫落酸等都參與了對根系結(jié)構(gòu)的調(diào)控[14]。如參與乙烯合成第二步的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶(ACO) 基因在Pi 缺乏下上調(diào)[43]，而乙烯參與Pi 缺乏誘導(dǎo)的根系結(jié)構(gòu)重塑，可以抑制初生根生長，促進(jìn)側(cè)根生長，以此擴(kuò)大根系與土壤的接觸面積，提高植物的磷攝取能力[44]。

菌根化和施加磷肥都能提高植物細(xì)胞分裂素的含量，從而改善植物生長。菌根侵染也會特異性誘導(dǎo)脫落酸生物合成增加[45]。眾所周知，脫落酸、茉莉酸和水楊酸能夠增強(qiáng)植物對生物和非生物脅迫的耐受性[46]。很多研究中發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下參與脫落酸和茉莉酸生物合成和信號傳導(dǎo)的基因在AM 植物葉中的特異性上調(diào)。例如，在接種AMF 的玉米中，參與茉莉酸生物合成的基因 (如編碼12-oxophytodienoate reductase OPRs、3-hydroxybutyryl dehydrogenase protein 的基因) 表達(dá)上調(diào)。前文提到的獨(dú)腳金內(nèi)酯也是一種植物激素，低磷環(huán)境會刺激植物分泌獨(dú)腳金內(nèi)酯，促進(jìn)菌根共生體系建立從而緩解低磷脅迫。

有機(jī)酸 (如檸檬酸、蘋果酸和草酸) 可以將Al3+、Fe3+和Ca2+結(jié)合的Pi 釋放出來，從而提高土壤中有效磷含量。在磷缺乏土壤中很多植物有機(jī)酸合成與分泌相關(guān)基因會被高度誘導(dǎo)[47]。研究發(fā)現(xiàn)AMF 也能夠分泌有機(jī)酸和磷酸酶活化土壤磷，低磷條件下被AMF 侵染的萬壽菊根中特異性的磷酸酶活性高于供磷情形[48]。某些紫色磷酸酶基因在低磷脅迫下參與植物與AMF 共生的反應(yīng)，兩個紫色磷酸酶基因表達(dá)在菌根大豆根中顯著增加[49]。以枳實(shí)生苗為試驗(yàn)材料的盆栽實(shí)驗(yàn)，基質(zhì)中草酸、蘋果酸和檸檬酸含量均與菌根侵染率成顯著正相關(guān)，低磷條件下菌根植物有機(jī)酸分泌量明顯增加[50]，在菌根植物葉片內(nèi)也檢測到有機(jī)酸的大量累積[51]。

2.2 調(diào)節(jié)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因差異表達(dá)

已知的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因可以分為四大類，分別在植物的不同生理部位發(fā)揮作用。PHT1 家族屬于高親和力磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要在根中表達(dá)[52]。PHT1家族的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對于從土壤中攝取Pi 以及從根到莖磷的轉(zhuǎn)運(yùn)是非常關(guān)鍵的，如耐低磷小麥品種根中TaPHT1；2 的轉(zhuǎn)錄水平比低磷敏感小麥品種的表達(dá)要高[53]。PHT2、PHT3 和 PHT4 家族還有待探究，其中PHT3 主要在線粒體中，PHT4 在高爾基體中。

研究者們把叢枝菌根涉及的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因分為三種類型:1) 植物的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因；2) AMF 的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因；3) AMF 誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因[36,54]。AMF 通過調(diào)控植物與其本身的碳磷代謝基因，可以促進(jìn)共生體建成，進(jìn)而調(diào)節(jié)宿主植物的磷營養(yǎng)。Sawers 等[55]在30 個不同品種的玉米接種實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，接種AMF上調(diào)了大多數(shù)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，促進(jìn)了玉米對磷的吸收，而抑制磷饑餓誘導(dǎo)表達(dá)的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，菌根玉米的磷吸收效率與編碼PHT1轉(zhuǎn)錄物的積累相關(guān)。在低磷條件下，接種AMF 或在菌根分泌物作用時均顯著上調(diào)了玉米根中磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Pht1；2、Pht1；6 和G3PT 的表達(dá)水平；與高磷情形相比，低磷條件下磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因與碳磷代謝基因如GiPT、HXK1b、CHS1 和NAG1 表達(dá)水平提高了2～3 倍[56]。也有研究報道AM 接種顯著提高了AM 特異誘導(dǎo)的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Pht1；6 的表達(dá)水平，并且降低了Pi 饑餓誘導(dǎo)型Pi 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Pht1；3 在玉米根中的表達(dá)水平[54]，表明AMF 接種緩解了宿主植物的磷饑餓狀態(tài)，菌根植物以此方式適應(yīng)磷脅迫。

分別來自Glomus versiforme、Glomus intraradices和Glomus mosseae 的GvPT、GiPT 和GmosPT，是AMF 自身的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。除了GmosPT 也在根內(nèi)菌絲中顯著表達(dá)，這三種磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都在根外菌絲中表達(dá)。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示，AMF 中除了存在GiPT 這類高親和力的磷轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，還發(fā)現(xiàn)了低親和力Pi 轉(zhuǎn)運(yùn)體系，還有許多磷酸酶及調(diào)節(jié)因子也在AMF 中被發(fā)現(xiàn)。這表明AMF 中存在與酵母細(xì)胞中一樣的PHO 調(diào)控系統(tǒng)，可以有效調(diào)節(jié)磷的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[57]。AMF 根外菌絲中的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從土壤環(huán)境中攝取Pi，通過VTC 在液泡中聚合成Poly-P 轉(zhuǎn)運(yùn)到根內(nèi)菌絲，然后通過一種未知途徑將其轉(zhuǎn)運(yùn)至植物與菌根真菌之間的“環(huán)叢枝空間 (periarbuscular space)”，然后被植物根細(xì)胞膜上的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)，從而使得AMF 吸收的磷轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主植物中。AMF 是專性共生真菌，需要與植物形成共生體才能完成其完整的生活史。GigmPT 的敲除降低了AMF 對宿主植物的定殖水平，表明GigmPT 介導(dǎo)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)對于AM 共生是非常關(guān)鍵的，GigmPT 可能作為磷信號受體在磷酸鹽攝取和感應(yīng)磷酸鹽濃度變化方面發(fā)揮重要作用[58]。

對于菌根植物來說，除了植物自身的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因能夠?qū)α酌{迫做出響應(yīng)，AMF 特異性誘導(dǎo)的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因?qū)τ谥参镞m應(yīng)磷脅迫也具有重要作用。目前已從很多植物如番茄[59]、水稻[60]、苜蓿[61]和玉米[62-63]中鑒別出菌根特異性誘導(dǎo)的磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，這些基因編碼的蛋白是磷酸鹽通過質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)的重要通道，也是菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的一種重要機(jī)制。紫花苜蓿中的MtPT4 是受AMF 特異誘導(dǎo)的一種磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通過RNAi 技術(shù)使MtPT4 基因表達(dá)沉默，植株生物量即顯著降低，即使接種AMF 對植物生物量也沒有顯著影響。不僅如此，MtPT4 功能的喪失還影響到AMF 的形態(tài)與生長，MtPT4 基因突變的植株中菌根侵染率和根外菌絲密度均顯著低于野生型[36]。因此，特定的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因?qū)τ诰采w來說是不可或缺的。對敲除了菌根特異磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Pht1；6 的玉米進(jìn)行RNA 測序發(fā)現(xiàn)，Pht1；6 缺失導(dǎo)致菌根中激素 (赤霉素、脫落酸與乙烯)、信號傳導(dǎo) (受體激酶、脂肪酸) 和細(xì)胞結(jié)構(gòu)(細(xì)胞壁、脂質(zhì)) 等代謝與生長過程失調(diào)，這也表明磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因具有重要的生物學(xué)意義，可能與其他途徑共同調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育[64]。

2.3 轉(zhuǎn)錄因子和miRNA 對低磷脅迫的響應(yīng)

轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育的各個階段以及植物適應(yīng)各種逆境脅迫過程中都發(fā)揮著重要作用。研究表明轉(zhuǎn)錄因子可以通過激活下游靶基因來改變植物對磷脅迫的耐受性[65]，而且轉(zhuǎn)錄因子在AM 共生體系的發(fā)育中也具有重要作用[66]。MicroRNA (miRNA)可以作為長距離信號參與植物低磷脅迫響應(yīng)，進(jìn)而參與植物發(fā)育調(diào)控和逆境響應(yīng)等重要過程。PHR1(phosphate starvation response 1) 是一種MYB(myeloblastosis-related proteins) 型轉(zhuǎn)錄因子[67]，在PHR1 過表達(dá)的植株中 (玉米、水稻和小麥的PHR1同源序列分別為ZmPHR1、OsPHR2 與TaPHR1-A1)觀察到根伸長率的增加、根毛生長以及高親和力磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)的上調(diào)[68-70]，通過這種方式植株提高了磷酸鹽的吸收和利用效率以適應(yīng)磷脅迫。轉(zhuǎn)錄因子在菌根共生體的建成與發(fā)育中起重要作用[71]，菌根轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列MYCS 和P1BS 介導(dǎo)了AM 調(diào)節(jié)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的轉(zhuǎn)錄激活[72]。有研究發(fā)現(xiàn)，一種轉(zhuǎn)錄因子MYB1 介導(dǎo)AMF 的叢枝退化，叢枝的退化時間由植物和叢枝的營養(yǎng)狀況控制，磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PT4 突變體的叢枝退化加速[36]，可能是由于缺乏叢枝傳遞的磷酸鹽[73-74]。換個角度考慮，低磷脅迫下菌根植物的叢枝傳遞的磷營養(yǎng)達(dá)不到宿主植物要求，或許會誘導(dǎo)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)從而介導(dǎo)叢枝退化，不利于菌根共生體發(fā)育。然而，有關(guān)菌根植物轉(zhuǎn)錄因子對于低磷脅迫的特異性響應(yīng)的研究極少，在今后的研究中應(yīng)得到重視。

受 PHR1 調(diào)控的基因包括PHT1 家族基因、PHO1、At4 和miRNA399 (miR399) 等。研究發(fā)現(xiàn)miR399 受缺磷誘導(dǎo)表達(dá)，能直接作用于PHO2 (泛素E2 連接酶，是miR399 的靶基因) 基因的 5’-UTR 區(qū)，降解PHO2 基因的mRNA，使其表達(dá)量下調(diào)，從而調(diào)控植物對磷的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和再利用過程；miR399 的成熟片段在菌根化苜蓿和煙草的根中積累，從而抑制PHO2 表達(dá)，促進(jìn)磷吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，但是幾個原始轉(zhuǎn)錄本卻僅僅在菌根植物的地上部累積，表明其對低磷脅迫的響應(yīng)在地上部先于根部。比較有趣的是一個推定的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在菌根中表達(dá)顯著上調(diào)，而它也是miR399 的靶基因[75-76]。miR5229 的豐度在根皮層中含有AMF 叢枝的細(xì)胞中顯著增加，其參與了叢枝的特定發(fā)育階段，有利于菌根共生體系的建立，提高植物對低磷脅迫的適應(yīng)性[76]。

3 總結(jié)與展望

AMF 與大多數(shù)陸生植物建立的菌根共生體系對于植物磷營養(yǎng)具有重要作用。本文主要從有機(jī)酸、磷酸酶與激素、磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因、轉(zhuǎn)錄因子與小分子物質(zhì)miRNA 等方面討論了菌根植物對磷脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制 (圖2)。環(huán)境Pi 濃度作為營養(yǎng)信號誘發(fā)菌根植物的生理響應(yīng)過程，有機(jī)酸活化土壤磷，激素在調(diào)節(jié)基因表達(dá)和改變根系構(gòu)型方面起著至關(guān)重要的作用，磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因靈敏而高效的表達(dá)以應(yīng)對不同的磷信號，轉(zhuǎn)錄因子作為感知信號和調(diào)控轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平的樞紐，miR399 充當(dāng)長距離信號調(diào)節(jié)植物自身反應(yīng)。這些因素既有單獨(dú)作用又相互交叉關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成菌根植物適應(yīng)磷脅迫的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。磷脅迫信號是一個牽動點(diǎn)，起到提綱挈領(lǐng)的作用，菌根植物低磷脅迫的適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制離不開對磷信號的感知。

目前關(guān)于菌根植物適應(yīng)低磷脅迫機(jī)理的研究已有很多，但仍有很多未知領(lǐng)域尚待探索。筆者認(rèn)為以下幾個研究方向應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾暋?/p>

1) 菌根共生界面的磷轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。AM 共生體系對磷的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程大部分已經(jīng)明確，但是根內(nèi)菌絲中的Pi 是通過何種載體蛋白運(yùn)輸?shù)江h(huán)叢枝空間從而被宿主植物吸收仍不清楚。低磷脅迫下菌根植物的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了很多假定蛋白，其中是否有一些蛋白參與了根內(nèi)菌絲與植物間的磷轉(zhuǎn)運(yùn)？隨著組學(xué)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析方法的進(jìn)步，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)及RNA 干擾等技術(shù)，定位根內(nèi)菌絲的磷運(yùn)輸途徑將成為可能，這對于更全面地認(rèn)識磷在真菌和植物間的轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)控機(jī)制具有重要意義。

圖 2 菌根植物適應(yīng)低磷脅迫分子機(jī)制示意圖Fig. 2 Molecular mechanism for mycorrhizal plant adaptation to low P stress

2) 菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)錄因子對真核生物轉(zhuǎn)錄起始過程十分重要，但是有關(guān)磷脅迫下轉(zhuǎn)錄因子及其作用機(jī)制的研究還處于起步階段，如已知MYB、NAC (NAM-ATAF-CUC2)、bHLH (basic helix-loop-helix) 等轉(zhuǎn)錄因子對于植物低磷耐受性具有重要作用，但其各個家族的功能卻不能明確區(qū)分。菌根植物響應(yīng)磷脅迫包含了植物本身和AMF 對植物的特異性調(diào)控，而AMF 特異性調(diào)節(jié)宿主植物適應(yīng)磷脅迫的轉(zhuǎn)錄因子有待進(jìn)一步探究。隨著基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的不斷發(fā)展，對菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)機(jī)制將會有更多新的認(rèn)識。

3) 各調(diào)控因子相互作用。菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的各類調(diào)節(jié)因子不是獨(dú)立作用的，如miRNA 通過調(diào)節(jié)PHO2 進(jìn)而調(diào)控磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)以應(yīng)對低磷脅迫。目前對菌根植物體內(nèi)磷信號傳導(dǎo)和磷代謝途徑交互網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，今后的研究要利用新的分子生物學(xué)技術(shù)，深入挖掘菌根植物適應(yīng)低磷脅迫的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵調(diào)控因子間的相互作用，從而更全面地揭示植物和菌根真菌協(xié)同適應(yīng)低磷脅迫的分子機(jī)制，為發(fā)展和應(yīng)用菌根技術(shù)調(diào)控植物磷營養(yǎng)奠定理論基礎(chǔ)。