植物內(nèi)部磷循環(huán)利用提高磷效率的研究進(jìn)展

孫 艷，洪婉婷，韓 陽，徐梓楷，程凌云

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/植物與土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

磷不僅是核酸、磷脂、ATP的重要組成成分，還是能量傳遞、蛋白質(zhì)活化等過程中的關(guān)鍵代謝調(diào)節(jié)因子[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，磷對(duì)作物產(chǎn)量的提高及作物優(yōu)良品質(zhì)的維持方面具有重要作用。土壤中的磷素主要以無機(jī)磷(Pi)的形式被植物吸收利用，但由于土壤中Pi極易與有機(jī)、無機(jī)化合物結(jié)合或存在于微溶礦物中使其移動(dòng)性差、擴(kuò)散速率低，從而大大降低了磷的生物有效性[2–3]。據(jù)報(bào)道，在全球范圍內(nèi)約有70%的土壤受低磷脅迫的影響，使磷素成為限制植物生長發(fā)育的重要因子[4–5]。為了滿足人口不斷增長對(duì)糧食產(chǎn)量的高需求，磷肥的施用量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，目前全球?qū)α追实男枰窟_(dá)到了約5億t，且預(yù)計(jì)從現(xiàn)階段到2030年，磷肥的施用量年均增長2億t左右[4,6–8]。White等研究表明，磷肥的當(dāng)季利用率僅為的15%～30%[9]，其余絕大部分則被土壤固定為緩效態(tài)或無效態(tài)磷[10]。磷的需求日益增加，如果以過去3年間磷礦石供給速度估計(jì)剩余年數(shù)，到2040年所有磷礦石供給都將耗盡[11]。因此，提高植物對(duì)磷素高效吸收與利用的能力顯得尤為重要。植物為應(yīng)對(duì)低磷脅迫已經(jīng)進(jìn)化出一系列與生長發(fā)育或生理生化相關(guān)的機(jī)制以提高低磷濃度下養(yǎng)分的有效性。在低磷供應(yīng)下，植物可通過改善根系構(gòu)型和分泌有機(jī)酸和磷酸酶活化周圍土壤難溶性磷及有機(jī)磷以增強(qiáng)其對(duì)磷的吸收，也可對(duì)貯存在植物體內(nèi)的磷營養(yǎng)進(jìn)行再活化、再轉(zhuǎn)運(yùn)和再利用等以實(shí)現(xiàn)磷的高效利用[12]。

因此，許多科研工作者致力于研究根系從土壤中獲取磷的能力(即磷獲取效率，PAE)和植物對(duì)磷利用的能力(磷利用效率，PUE)，以改善植物營養(yǎng)和保證糧食產(chǎn)量[13–14]。然而僅僅通過提高PAE來促使作物增產(chǎn)會(huì)加速農(nóng)田土壤總磷的耗竭，導(dǎo)致其它負(fù)面環(huán)境問題[13,15]，這一措施不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。相比之下，通過提高植物磷利用效率，以較低的投入獲得更高的產(chǎn)量，應(yīng)該引起我們的關(guān)注[13]。

本文將綜述植物在應(yīng)對(duì)磷脅迫時(shí)對(duì)其體內(nèi)磷素的再活化利用及與磷轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的生物學(xué)機(jī)制，以期進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷利用效率并為培育耐低磷脅迫的磷高效優(yōu)質(zhì)作物品種、降低磷肥投入、減輕環(huán)境污染等提供必要的生物學(xué)理論和技術(shù)改良基礎(chǔ)。

1 植物生長發(fā)育過程中磷的再活化分配

磷被吸收進(jìn)入植物體內(nèi)后，全磷中約15%的磷以游離無機(jī)磷(Pi)的形式存在，約有85% (全磷含量中占比)的磷轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷酸酯，形成核酸、磷脂、低分子量的磷酸酯和磷酸化蛋白等有機(jī)磷庫，且其含量大小順序?yàn)楹颂呛怂?RNA)＞磷脂＞磷酸酯＞脫氧核糖核酸 (DNA)[13,16–18]。

一般情況下，植物組織中Pi濃度能反映該植物體的外部Pi供應(yīng)水平[13,19]。組織內(nèi)的Pi存在于細(xì)胞質(zhì)和液泡中。其中細(xì)胞質(zhì)Pi庫代謝活躍，含量約為P 0.1～0.8 mg/g(干重)，占細(xì)胞內(nèi)總 Pi的 15%，且保持在相當(dāng)窄的范圍內(nèi)變動(dòng)。而液泡Pi含量顯著高于細(xì)胞質(zhì)Pi含量，可占細(xì)胞內(nèi)Pi的80%，隨環(huán)境磷變化波動(dòng)較大[20–23]。

1.1 磷素營養(yǎng)在植物不同生育期的再分配利用

在植物營養(yǎng)生長階段早期，磷在光合作用及相關(guān)碳氮代謝方面發(fā)揮著重要作用，此時(shí)高效吸收利用磷素有利于植物相對(duì)生長速率的提高[13,24]。施磷可加速作物營養(yǎng)生長，促進(jìn)植株體內(nèi)光合產(chǎn)物的分配[25–26]，從而進(jìn)一步影響植株葉面積、根系吸收養(yǎng)分和水分的速率及根系碳周轉(zhuǎn)[27–28]。

在植物營養(yǎng)生長階段后期或當(dāng)其遭受低磷脅迫時(shí)，部分葉片發(fā)生衰老，此時(shí)衰老葉片會(huì)產(chǎn)生較大的呼吸成本，加上植株自身生長壯大后對(duì)光照的遮蔭，最終減少了光合產(chǎn)物的產(chǎn)量[13]。與此同時(shí)老葉中含磷生物大分子(核酸、磷脂等)會(huì)有序分解釋放磷并從老葉遷移到其它器官，在組織死亡之前，磷被活化并重新運(yùn)輸?shù)缴L旺盛的庫組織(尤其是發(fā)育中的種子和正在伸展生長的新葉)中，從而顯著提高老葉養(yǎng)分回收利用率[29–30]。植物磷供應(yīng)從由根系吸收為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰厥账ダ辖M織中遷移的磷為主的過程，發(fā)生在營養(yǎng)生長后期或生殖生長早期階段，這一轉(zhuǎn)變可能對(duì)整株植物的健康生長至關(guān)重要，且當(dāng)植物處于土壤養(yǎng)分缺乏的環(huán)境中時(shí)顯得尤為關(guān)鍵[13,30]。衰老組織中有機(jī)、無機(jī)磷的回收利用不僅有利于提高植物磷利用效率，同時(shí)可以防止老葉中的磷營養(yǎng)流失到周圍環(huán)境中而造成損失。研究發(fā)現(xiàn)，山龍眼科植物(Hakea prostrata)較耐磷匱乏環(huán)境，其葉片對(duì)核酸、磷脂等的需求也隨土壤磷含量的下降而降低，并且成熟葉片中約80%的有機(jī)磷可被再活化利用[31–33]。而大豆(Glycine max)老葉有機(jī)磷的再活化程度相對(duì)較低，磷回收率不到50%[34]。在擬南芥研究中，高達(dá)78.4%的有機(jī)、無機(jī)磷會(huì)從老葉中轉(zhuǎn)移出被再利用[35]。因此，從營養(yǎng)生長階段的中后期開始，植物組織中磷從衰老器官轉(zhuǎn)移到生長更活躍的器官成為植物繼根系吸收之外磷來源的又一重要途徑，尤其在缺磷土壤中磷的再分配顯得尤其重要[13,17]。

當(dāng)植物進(jìn)入生殖生長期，衰老葉片中磷營養(yǎng)的回收利用成為幼葉、生殖器官和貯藏器官中磷的主要來源之一[17]。Masoni等[36]研究表明，小麥(Triticum durumL.)葉片和秸稈中磷含量會(huì)隨著其由開花期到成熟期的過渡而降低，而穗中磷含量增加到初始值的4倍。另有研究發(fā)現(xiàn)，油料作物胡麻在盛花至完熟期階段的磷素積累量最大，且籽粒中約有35.14%～55.24%的磷素是由葉片中的有機(jī)磷再活化轉(zhuǎn)運(yùn)而來的[37]。Jeong等[38]研究表明，葉片在衰老過程中發(fā)生的磷轉(zhuǎn)移損失可能不僅影響其進(jìn)行光合作用，還作用于籽粒灌漿過程中同化物有效性。對(duì)于水稻(Oryza sativaL.)而言，磷主要在籽粒灌漿后期從葉片遷移到籽粒中，這一過程與葉片衰老密切相關(guān)[39-41]。類似地，在大豆(Glycine max)的灌漿期增加磷營養(yǎng)供給會(huì)延遲葉片衰老的同時(shí)收獲更高的籽粒產(chǎn)量[42]。然而，在甘藍(lán)型油菜(Brassica napus)的籽粒灌漿期間增施磷素會(huì)降低生物量并減少籽粒產(chǎn)量[43]。Mazlouzi等[44]研究發(fā)現(xiàn)，低磷營養(yǎng)下生長的小麥(Triticum durumL.)籽粒中有81%的磷來源于體內(nèi)磷的再活化利用，而在高磷條件下這部分磷僅占籽粒磷的65%；缺磷脅迫下的小穗和葉片對(duì)磷再活化的貢獻(xiàn)相對(duì)較大，占比分別為43.6%和34.6%，但高磷營養(yǎng)下貢獻(xiàn)相對(duì)較大的器官分別為葉片(32%)和莖(30.4%)。

1.2 籽粒中過量磷的輸入

整體而言，籽粒中磷含量過高會(huì)在降低作物品質(zhì)的同時(shí)破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的磷素平衡。一方面，磷被轉(zhuǎn)移到正在發(fā)育的種子中以滿足其進(jìn)行正常細(xì)胞生理生化功能的需要，且內(nèi)部儲(chǔ)存的磷可為幼苗的生長發(fā)育提供營養(yǎng)，人們普遍認(rèn)為種子磷儲(chǔ)量越高越有利于幼苗生長[45]。然而籽粒中大量磷素存在會(huì)導(dǎo)致過多植酸的形成，其在缺乏植酸酶的動(dòng)物體內(nèi)難以被吸收利用，同時(shí)會(huì)造成多重抗?fàn)I養(yǎng)效應(yīng)，使鐵、鈣、鋅和鎂等微量營養(yǎng)元素有效性降低[46–48]。這部分未被動(dòng)物消化吸收的植酸磷排出體外后污染水土資源，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化與土壤中有機(jī)磷富集，不利于植物根系直接吸收土壤中的磷營養(yǎng)[49–51]。另一方面，大約60%～85%的地上部磷儲(chǔ)存在籽粒中，這就意味著在作物收獲的同時(shí)會(huì)從田間帶走大部分磷素[40]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會(huì)進(jìn)行過量施磷以彌補(bǔ)土壤磷素的損失，但這種做法通常會(huì)增加富磷土壤被侵蝕后使水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[40]。由此可見，這種不合理方式循環(huán)往復(fù)，農(nóng)田土壤中磷素平衡勢(shì)必會(huì)受到極大破壞。因此，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將籽粒磷濃度降低到滿足磷素需求的水平是重要途徑。通過培育并種植籽粒含磷低的品種或解析調(diào)控籽粒含磷低的關(guān)鍵基因，或許能夠在一定程度上減少磷素在作物生長后期向籽粒的輸入，這也將成為降低籽粒中磷濃度的潛在措施。

2 磷在植物體內(nèi)的儲(chǔ)存與再利用

2.1 液泡Pi的再利用與細(xì)胞內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)

植物獲取的Pi首先在細(xì)胞質(zhì)中積累直至達(dá)到穩(wěn)定水平，然后在液泡中累積。液泡被認(rèn)為是最大的與磷儲(chǔ)存和再活化相關(guān)的細(xì)胞器，且液泡中磷酸鹽含量約占細(xì)胞內(nèi)總磷酸鹽的75%[21,52]。研究發(fā)現(xiàn)Pi在總磷含量中的占比相對(duì)于有機(jī)磷的占比變化較大，這與Pi的有效性密切相關(guān)[13]。當(dāng)外界磷供應(yīng)充足時(shí)，由于細(xì)胞質(zhì)中代謝活躍的Pi水平受到嚴(yán)格控制，多余的Pi將儲(chǔ)存在液泡中。短期內(nèi)缺磷時(shí)，液泡Pi外流到胞質(zhì)以滿足細(xì)胞質(zhì)Pi需求，從而緩解細(xì)胞缺磷狀況[52–54]?？梢?，液泡輸出的Pi可能是植物細(xì)胞中Pi的緩沖器。液泡Pi的儲(chǔ)存和輸出能夠維持細(xì)胞內(nèi)Pi的穩(wěn)態(tài)(圖1)，同時(shí)滿足外部Pi有效性的變化及植物體的代謝需求[52]。研究表明無論植物體內(nèi)Pi狀態(tài)如何，細(xì)胞質(zhì)的Pi水平都始終維持在一個(gè)恒定值[55]。當(dāng)外部供應(yīng)不同水平的磷濃度時(shí)，豌豆(Pisum sativumL.)根尖液泡Pi的變化顯著，但根尖細(xì)胞質(zhì)Pi的濃度穩(wěn)定保持在18 mmol/L[56]。當(dāng)大豆(Glycine maxL.)處于較高水平磷營養(yǎng)下，自開花期到鼓粒中期生長的過程中，液泡磷酸峰最先消失，表明液泡磷酸鹽的再活化程度較細(xì)胞質(zhì)大。在低磷營養(yǎng)處理下，液泡對(duì)細(xì)胞質(zhì)Pi的緩沖作用會(huì)維持到生殖生長階段的后期[57]。Lee等[58]將玉米種子發(fā)芽2天后置于外源磷濃度為0～0.5 mmol/L范圍內(nèi)的培養(yǎng)基上生長，發(fā)現(xiàn)磷有效性的降低會(huì)顯著影響液泡Pi含量，而細(xì)胞質(zhì)中Pi占比則幾乎沒有差異。植物在體內(nèi)細(xì)胞增大或分裂為兩個(gè)子細(xì)胞的生長過程中，部分細(xì)胞質(zhì)的Pi會(huì)被作為新細(xì)胞的結(jié)構(gòu)材料而使用，然后細(xì)胞會(huì)從外部介質(zhì)或者液泡中吸收Pi作為補(bǔ)償，這一階段Pi的代謝對(duì)胞質(zhì)Pi水平的影響大于對(duì)總磷含量的影響[59]。

圖1 植物地上部磷素進(jìn)行再活化與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制綜合模式圖Fig. 1 A comprehensive model diagram of the mechanism of phosphorus reactivation and transport in plant shoot

在細(xì)胞質(zhì)中保持穩(wěn)定的Pi水平對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)起著非常重要的作用。細(xì)胞質(zhì)Pi的穩(wěn)態(tài)主要是通過液泡與其之間進(jìn)行Pi的膜轉(zhuǎn)運(yùn)和有機(jī)磷酸鹽向無機(jī)磷酸鹽的代謝轉(zhuǎn)化而實(shí)現(xiàn)的[59]。大麥葉片的葉肉細(xì)胞有能力通過改變膜轉(zhuǎn)運(yùn)活性和/或消耗液泡中的Pi來維持細(xì)胞質(zhì)Pi水平的恒定[54]。然而，有研究表明當(dāng)植物由于攝取甘露糖或被磷酸化而引起其突然需求細(xì)胞質(zhì)Pi時(shí)，此時(shí)即使存在大量液泡磷庫，最終也會(huì)耗盡細(xì)胞質(zhì)磷庫[60–61]。綜上所述，液泡Pi的儲(chǔ)存與再利用對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)起著關(guān)鍵作用，但是在植物應(yīng)對(duì)極端情況時(shí)調(diào)節(jié)作用有限。

2.2 有機(jī)磷庫中磷的釋放

處于低磷脅迫條件下的植物，可以從不同的磷庫中重新獲取磷并再分配以保證植物的生長發(fā)育[13]。當(dāng)液泡無機(jī)磷對(duì)胞質(zhì)缺磷的緩沖不能滿足植物的磷素需求時(shí)，有機(jī)磷便開始降解以實(shí)現(xiàn)磷的再利用。低磷脅迫下的植物體內(nèi)Pi含量顯著降低，組織中不同磷庫的利用存在較大差異[13,62]。葉片衰老過程中，持續(xù)的磷匱乏耗盡液泡Pi庫，且顯著減少了細(xì)胞質(zhì)Pi庫，與此同時(shí)細(xì)胞內(nèi)會(huì)誘導(dǎo)并分泌大量的水解酶以從有機(jī)磷庫中釋放Pi[17]。核酸和磷脂等有機(jī)磷組分的活化對(duì)于Pi的再分配利用及植物的正常生長發(fā)育起著非常重要的作用(圖1)，并且有機(jī)磷庫在提高植物磷利用效率過程中涉及到復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)制。

2.2.1 核酸—磷含量最豐富的有機(jī)磷庫 核酸是植物體最大的有機(jī)磷庫，約有50%的有機(jī)磷儲(chǔ)存于核酸，且其中約80%以核糖體RNA (rRNA)的形式存在[13,63–64]。供磷不足導(dǎo)致核糖體數(shù)量減少，從而影響蛋白質(zhì)的合成，繼而使植物生長緩慢。與磷供應(yīng)充足的植株相比，低磷條件下生長的擬南芥地上部RNA含量減少了90%，導(dǎo)致其生長受阻[65]。在植物葉片發(fā)育的過程中，rRNA水平隨著蛋白質(zhì)需求量的增強(qiáng)而增加，而成熟葉片中蛋白質(zhì)需求量減少，rRNA水平也隨之下降[66–67]。由于RNA中磷的豐度很高，從RNA中回收磷能夠有效提高植物磷利用效率。研究表明核酸酶RNases負(fù)責(zé)從rRNA中回收Pi，番茄葉片中的 LX RNase (一種 RNase)在其衰老后期會(huì)被誘導(dǎo)表達(dá)并參與RNA的分解代謝過程[68]。RNases中發(fā)揮主要作用的是T2家族基因[69]，在擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)T2家族能受低磷脅迫和/或衰老而誘導(dǎo)表達(dá)[70]，其中S-like RNases在Pi的回收中發(fā)揮重要作用[69]。RNase先通過2',3'-環(huán)化核苷酸中間體(cNMP)將RNA分解為核苷一磷酸(NMP)[71]。這種cNMP中間體隨后被環(huán)狀核苷酸磷酸二酯酶進(jìn)一步分解代謝產(chǎn)生NMP，繼而作為紫色酸性磷酸酶(PAP)的底物進(jìn)行酶促反應(yīng)，釋放Pi并將其運(yùn)輸?shù)綆旖M織中利用[72]。

雖然植物中DNA含量在總核酸中的占比遠(yuǎn)低于RNA，但由核DNA與細(xì)胞器DNA (orgDNA)共同組成了細(xì)胞總DNA，且兩者均可發(fā)生降解以提高細(xì)胞Pi含量[73]。orgDNA作為內(nèi)在磷源存貯于細(xì)胞內(nèi)，大量的細(xì)胞器基因構(gòu)成了近半數(shù)的以核酸存貯的有機(jī)磷庫。在植物成熟組織，特別是葉組織(內(nèi)部葉綠體基因占比能夠達(dá)到總DNA含量的30%，且每個(gè)細(xì)胞的葉綠體基因組的拷貝量能夠達(dá)到1000份)具有很大的拷貝數(shù)量[74]。據(jù)報(bào)道，雙功能核酸酶1 基因BFN1受葉片衰老的誘導(dǎo)表達(dá)量上調(diào)，繼而降解單鏈DNA或RNA[75–76]，釋放出的Pi能夠被轉(zhuǎn)運(yùn)到庫組織中供植物生長發(fā)育所需。Takami等[74]研究表明，在低磷脅迫下，擬南芥和白樺樹中的葉綠體DNA會(huì)被脫氧核糖核酸外切酶1 (DPD1)降解，釋放的Pi則從下位葉轉(zhuǎn)移到上位葉以供新生器官發(fā)育所需。

綜上所述，當(dāng)植物處于低磷脅迫和/或其葉片在衰老過程中時(shí)，RNA是核酸磷再利用的主要貢獻(xiàn)者，而細(xì)胞器DNA的含量雖少但也在一定程度上起磷再活化作用，且釋放的Pi對(duì)提高植物磷利用效率與整體磷素循環(huán)具有重要意義。

2.2.2 磷脂—參與低磷下的膜脂質(zhì)重塑反應(yīng) 磷脂是質(zhì)膜、類囊體膜等生物膜的重要組成成分，同時(shí)也是植物體內(nèi)的第二大有機(jī)磷庫，這部分磷素約占成熟葉片總磷庫的25%[13]。植物在響應(yīng)低磷脅迫時(shí)，葉片或根中的磷脂可以通過膜脂質(zhì)重塑降低體內(nèi)磷消耗，該過程的第一步反應(yīng)是磷脂酶水解磷脂釋放Pi[77]。而不同磷脂酶通過不同的水解位點(diǎn)水解磷脂，可據(jù)此將其分為4大類：磷脂酶A1 (PLA1)、磷脂酶 A2 (PLA2)、磷脂酶 C (PLC)和磷脂酶 D (PLD)[78]。除此之外，有研究發(fā)現(xiàn)PLC的同工酶非特異性磷脂酶C (NPC)也參與調(diào)節(jié)低磷營養(yǎng)下的磷脂酶活性，但擬南芥體內(nèi)的NPC4在植株缺磷時(shí)表達(dá)量上調(diào)，且NPC4功能的缺失顯著降低了PLC的活性[79]。磷脂的降解主要通過PLC的直接途徑、涉及PAP活性的PLD的間接途徑，PLC水解磷脂產(chǎn)生二酰甘油和磷酸化的頭基，而PLD水解磷脂產(chǎn)生磷脂酸，其進(jìn)一步通過PAP生成二酰甘油[78–82]。PLA也可通過水解磷脂產(chǎn)生溶血磷脂與游離脂肪酸的間接途徑釋放[30]。通過磷脂酶水解磷脂產(chǎn)生的二酰甘油作為底物合成半乳糖脂和/或硫脂用于替代膜中磷脂，這有利于維持生物膜的正常結(jié)構(gòu)和功能，而且釋放的Pi被轉(zhuǎn)移到更活躍的庫組織(如新葉、圓錐花序)中[3,83]。植物細(xì)胞中含有大量的半乳脂類，如單半乳糖甘油二酯(MGDG)和雙半乳糖甘油二酯(DGDG)以及硫代異鼠李糖甘油二酯(SQDG)，它們與磷脂酰甘油(PG)一起為類囊體膜的主要成分[84]。在低磷脅迫下，葉綠體中的PG被SQDG代替，質(zhì)體外膜中的磷脂被DGDG取代[85–86]。缺磷時(shí)，多年生黑麥草中編碼SQDG的關(guān)鍵酶UDP-硫代異鼠李糖合酶的基因表達(dá)量顯著增加。同樣地，在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)缺磷情況下，SQDG和DGDG水平均有所增加，同時(shí)磷脂含量相應(yīng)減少[87–88]。另外，Meike等[89]研究發(fā)現(xiàn)，MGDG也可作為DGDG等非含磷脂質(zhì)的合成前體參與到膜脂質(zhì)重塑中。

磷脂水解的另一條重要途徑是脂質(zhì)?；饷?LAH)水解磷脂產(chǎn)生甘油磷酸二酯(GPD)和游離脂肪酸鏈。甘油磷酸二酯磷酸二酯酶(GPX-PDE)將GPD進(jìn)一步降解為3-磷酸甘油(G3P)和相應(yīng)的醇，隨后G3P可以通過?；D(zhuǎn)移酶和紫色酸性磷酸酶PAP轉(zhuǎn)化為二酰甘油和Pi[90–91]。白羽扇豆中GPXPDE1/2的表達(dá)受缺磷誘導(dǎo)，且能在低磷脅迫下參與磷脂代謝并促進(jìn)植株根毛的形成發(fā)育，繼而增強(qiáng)植株對(duì)低磷養(yǎng)分的適應(yīng)性[92]。Mehra等[93]在水稻研究中發(fā)現(xiàn)，OsGPX-PDE2過表達(dá)植株通過脂質(zhì)重塑和改善根系結(jié)構(gòu)增加了幼苗中的Pi含量，且與野生型相比，超表達(dá)株系能增加生物量和丙酮酸(PA)含量。Cheng等[91]在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)，GPX-PDE有助于釋放G3P中的Pi并維持細(xì)胞內(nèi)的Pi穩(wěn)態(tài)。Wang等[94]研究表明ZmGPX-PDE1能夠催化玉米中GPD的降解，促進(jìn)磷從老葉到新葉的循環(huán)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)ZmGPXPDE1基因在葉片衰老過程中表達(dá)量上調(diào)。因此，磷脂的水解及GPX-PDE對(duì)GPD的降解能夠提高低磷營養(yǎng)下磷的再活化利用。

膜脂質(zhì)重塑有利于磷脂中磷的回收，維持生物膜的功能與完整性，從而顯著提高植物磷利用效率及其缺磷耐受性。Stigter等[30]研究發(fā)現(xiàn)植物在缺磷與衰老時(shí)有許多相似的代謝及轉(zhuǎn)錄組變化，許多低磷響應(yīng)基因(如半乳糖脂合成酶基因，磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因等)的表達(dá)也可受衰老誘導(dǎo)上調(diào)。由此可見，研究植物在這兩種情況下磷脂代謝的相關(guān)性為進(jìn)一步深入了解磷再利用的分子生物學(xué)機(jī)制提供了思路。

2.2.3 其它有機(jī)磷庫 有機(jī)磷庫中低分子量的磷酸酯和磷酸化蛋白也能在提高植物磷利用效率方面發(fā)揮一定的作用，其中磷酸化蛋白主要參與調(diào)控并維持植物正常的生長發(fā)育[13]。植酸(肌醇六磷酸)是作物種子中磷素的主要儲(chǔ)存形式，占種子干重的1%～4%，其含磷量約占總磷量的65%～80%[95–96]。植素是植酸的鈣、鎂鹽或鉀、鎂鹽，屬于磷脂類化合物。在種子萌發(fā)過程中，植酸能被植酸酶水解并釋放出Pi供給子葉發(fā)育和幼苗生長，即儲(chǔ)存在種子中的磷素得以重新利用[45,97]。種子中Pi的釋放對(duì)其發(fā)育階段生物膜的建成及淀粉代謝具有重要作用[98–100]。種子中Pi的消耗與其自身質(zhì)量、幼苗發(fā)育需要量、土壤磷有效性等密切相關(guān)，一旦種子Pi儲(chǔ)量耗盡，作物在持續(xù)快速生長階段的磷需求就依賴于根系對(duì)土壤磷的吸收[13,17]。

植物紫色酸性磷酸酶PAP家族能有效水解磷酸酯并從中釋放Pi，且其活性在酸性條件下最佳[101]。Stigter等[30]在擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)，AtPAP26在受磷饑餓和/或葉片衰老過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，擬南芥老葉中分泌的AtPAP26可能具有降解流出質(zhì)膜的磷酸酯的功能以最大限度地回收Pi。因此，在低磷脅迫下，植物體內(nèi)各有機(jī)磷庫能夠有效維持植株整體的磷循環(huán)并盡可能保證其進(jìn)行正常的生長發(fā)育。

3 磷再利用的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (phosphate transporters,PHTs)具有有效吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Pi的功能，可根據(jù)介質(zhì)中有效磷濃度的高低將其分為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，而前者主要負(fù)責(zé)在低磷營養(yǎng)(3～10 μmol/L)下吸收Pi[53,102–103]。根據(jù)PHTs的結(jié)構(gòu)及其亞細(xì)胞定位的不同，可以分成PHT1、PHT2、PHT3和PHT4亞家族[103]，它們分別定位于質(zhì)膜、葉綠體膜、線粒體膜和高爾基體膜上，并在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著各自的作用[104]。許多研究表明，煙草NtPHT1;1、NtPHT1;2，擬南芥 AtPHT1;1、AtPHT1;4、AtPHT1;5、AtPHT1;8、AtPHT1;9和番茄LePT1、LePT2等均屬于高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體[105–111]，而水稻OsPHT1;2與最近報(bào)道定位于葉綠體上的OsPHT2;1等均屬于低親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體[112–113]。

Pi被轉(zhuǎn)運(yùn)到根表皮細(xì)胞后，進(jìn)一步裝載到木質(zhì)部中向上轉(zhuǎn)運(yùn)并分配到地上部庫組織中供植物利用[114]。在低磷脅迫下，儲(chǔ)存于液泡以及衰老組織中的Pi需要通過一系列PHTs (如AtPHT1;5、OsPHT1;3)的協(xié)助將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)和/或?qū)α子行枨蟮膸旖M織中而得以被再利用，繼而滿足植物生長發(fā)育對(duì)磷素的需求。

3.1 液泡與細(xì)胞質(zhì)間的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

液泡Pi首先被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞質(zhì)中再利用以緩解植物缺磷的狀況(圖1)。已有研究發(fā)現(xiàn)了具有N端SPX(SYG1/PHO81/XPR1)結(jié)構(gòu)域和C端主要協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族(MFS)結(jié)構(gòu)域且定位于液泡上的液泡Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(VPTs)，又稱SPX-MFS蛋白或PHT5家族，能介導(dǎo)Pi在液泡膜上轉(zhuǎn)運(yùn)[102,115]。MFS是目前已知最大的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族之一[116]，且植物PHTl家族屬于MFS超家族[117–118]。目前在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)的VPT家族主要包括VPT1 (PHT5;1)、VPT2和VPT3成員，且它們均定位于液泡膜上[118]。通過膜片鉗及31P核磁共振波譜分析，表明VPT1主要負(fù)責(zé)將細(xì)胞中多余的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)并儲(chǔ)存進(jìn)液泡[102,115]。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中VPT1功能缺失會(huì)激活VPT3，且VPT3缺失會(huì)降低vpt1突變體植株液泡的吸磷效率，推測(cè)VPT3在Pi從胞質(zhì)向液泡轉(zhuǎn)運(yùn)過程中起著一定作用[119]。另有研究指出水稻PHT5的同源物OsSPXMFS1、OsSPX-MFS2和OsSPX-MFS3也定位于液泡膜上[120]，其中除OsSPX-MFS2的表達(dá)受缺磷誘導(dǎo)外，OsSPX-MFS1和OsSPX-MFS3的表達(dá)量均受到抑制[103]。但是，有研究發(fā)現(xiàn)水稻OsSPX-MFS1能夠?qū)崿F(xiàn)擬南芥pht5;1突變體的生長表型互補(bǔ)，由此推測(cè)OsSPX-MFS1可能具有由胞質(zhì)向液泡運(yùn)輸Pi的功能[115]。而水稻OsSPX-MFS3能介導(dǎo)Pi流入非洲爪蟾卵母細(xì)胞，且OsSPX-MFS3超表達(dá)植株液泡中Pi水平降低，推測(cè)OsSPX-MFS3可能作為液泡Pi外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Pi從液泡中運(yùn)出[120]。與此相反，還有一項(xiàng)研究表明，OsSPX-MFS3是水稻液泡Pi流入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[53]。有研究者通過對(duì)液泡膜進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析得到一對(duì)甘油-3-磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GlpT，即OsVPE1和OsVPE2)，并且發(fā)現(xiàn)它們?cè)诹尊囸I條件下生長的水稻根中豐度增加[53]?？赡艿慕忉屖荊lpT屬于MFS蛋白家族且能促進(jìn)G3P的攝取，同時(shí)其也作為一種反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在將G3P攝入細(xì)胞質(zhì)的同時(shí)促進(jìn)Pi進(jìn)入周質(zhì)，但是這一過程受Pi濃度梯度的控制[121]。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在酵母和蛙卵細(xì)胞中異源表達(dá)OsVPE1和/或OsVPE2可將Pi運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)，并且處于磷饑餓條件下的Osvpe1Osvpe2雙突變體液泡中Pi含量較野生型高，同時(shí)過表達(dá)OsVPE1或OsVPE2降低了液泡中Pi含量，這表明OsVPE是液泡Pi外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[53]。

綜上所述，VPT1和VPT3可以將細(xì)胞中多余Pi轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中儲(chǔ)存起來，其中前者的作用更為突出。目前有關(guān)液泡Pi外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究相對(duì)較少，其中OsVPE蛋白是已得到證實(shí)的液泡Pi外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要負(fù)責(zé)將液泡Pi轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞質(zhì)。液泡Pi流入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同參與調(diào)控細(xì)胞磷穩(wěn)態(tài)，有助于調(diào)節(jié)Pi分配周轉(zhuǎn)及再利用效率，因此有待探索更多的液泡Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及調(diào)控機(jī)制。

3.2 營養(yǎng)器官間的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

磷是植物體內(nèi)易于移動(dòng)的營養(yǎng)元素，其由源組織(如衰老葉片)到庫器官(如幼葉)的遷移(Pi通過韌皮部有效回收磷營養(yǎng))是磷饑餓狀態(tài)下植物的一種適應(yīng)性策略(圖1)[122]，可提高內(nèi)部磷的再利用效率[123–124]。

磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHT1家族不僅參與根系對(duì)土壤Pi的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，且該家族某些成員還參與老葉中貯存Pi向庫器官的遷移。有研究發(fā)現(xiàn)缺磷脅迫可以誘導(dǎo)PHT1;5在老葉、子葉及花的韌皮部細(xì)胞中表達(dá)[108]。擬南芥AtPHT1;5在衰老葉片維管束韌皮部中高度表達(dá)，并負(fù)責(zé)將Pi從老葉向正在發(fā)育的葉片中進(jìn)行再轉(zhuǎn)運(yùn)[106]。另有研究發(fā)現(xiàn)大麥HvPHT1;6在缺磷的老葉韌皮部中的轉(zhuǎn)錄豐度也有所增加[125–126]。水稻OsPHT1;3能夠在極度缺磷條件下高度表達(dá)并參與Pi的轉(zhuǎn)運(yùn)與再分配。當(dāng)外界供磷濃度低于5 μmol/L時(shí)，OsPHT1;3能參與磷素的吸收并具有將Pi從根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的活性，與此同時(shí)OsPHT1;3也能在基部節(jié)維管組織的韌皮部中特異表達(dá)，負(fù)責(zé)將Pi從老葉向新葉中轉(zhuǎn)運(yùn)[122]。Versaw等[127]研究發(fā)現(xiàn)除PHT1家族成員具有在缺磷脅迫下對(duì)老葉貯存的Pi進(jìn)行再轉(zhuǎn)運(yùn)的活性之外，PHT2家族也參與其中。野生型擬南芥的幼葉與老葉中Pi含量比隨著植株缺磷時(shí)間的延長而增加，而pht2;1突變體的幼葉和老葉中Pi含量基本保持不變，表明AtPHT2;1介導(dǎo)了缺磷脅迫下Pi從老葉到幼葉的再分配。另有研究表明水稻低親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPHT2;1受低磷誘導(dǎo)表達(dá)，并參與了植株體內(nèi)磷的再分配過程[128]。

3.3 營養(yǎng)器官與生殖器官間的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

植物生長過程中其體內(nèi)的源庫關(guān)系是動(dòng)態(tài)變化的，這主要取決于其生長速度、發(fā)育階段及Pi有效性，因此Pi在植物體內(nèi)的遷移是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程[124,129–130]。植物在花芽分化后由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L階段[131–132]，此時(shí)生殖器官成為植物體內(nèi)新的庫，大量磷素從營養(yǎng)器官中再活化并轉(zhuǎn)運(yùn)到生殖器官供植株所需。最近的研究發(fā)現(xiàn)低磷脅迫下生長的小麥在花后吸收的磷(約72%)轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒，但這部分磷僅占籽粒磷的19%，其余大部分(81%)來自營養(yǎng)器官(根、莖、葉)中磷的再活化[44]。

在發(fā)育早期的水稻葉片中會(huì)積累大量的Pi，并在發(fā)育后期將葉片中儲(chǔ)存的Pi運(yùn)輸?shù)剿氩縖132]。水稻OsPHT1;8屬于高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要負(fù)責(zé)在植株生長后期將Pi從營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運(yùn)到生殖器官。Jia等[133]研究發(fā)現(xiàn)抑制OsPHT1;8活性的植株穗軸磷含量較野生型增加約30%，且未灌漿稻殼磷含量僅為野生型的70%左右，同時(shí)其結(jié)實(shí)率降低，推測(cè)OsPHT1;8可能參與了Pi從穗軸向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。另有研究發(fā)現(xiàn)OsPHT1;5蛋白具有將磷素轉(zhuǎn)運(yùn)到種殼等部分生殖器官的功能，但不足以改變籽粒中的磷含量，此外，OsPHT1;7也具有類似功能但其功能較OsPHT1;5更弱[134]。Yamaji等[135]研究發(fā)現(xiàn)水稻的磷分配轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SPDT)能夠在節(jié)點(diǎn)處特異表達(dá)，且SPDT發(fā)生突變會(huì)減少籽粒中的磷而增加葉片中的磷，表明OsSPDT蛋白在水稻節(jié)點(diǎn)處具有將磷優(yōu)先分配給籽粒的活性。Ding等[136]研究表明，擬南芥AtSPDT介導(dǎo)了磷從木質(zhì)部經(jīng)形成層向韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn)，繼而實(shí)現(xiàn)磷組織及器官的優(yōu)先分配利用。AtSPDT的表達(dá)量受缺磷誘導(dǎo)上調(diào)，敲除AtSPDT的植株在低磷營養(yǎng)下降低了組織器官中的磷含量，減少了磷向種子及新葉的遷移，從而抑制了新生器官(如幼葉)的生長[136]。另有研究發(fā)現(xiàn)在低磷脅迫下，番茄質(zhì)子焦磷酸酶(AVP1D)具有促進(jìn)磷從營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)的活性，并進(jìn)一步調(diào)控果實(shí)的發(fā)育和成熟[134]。近期的研究表明OsPHO1;2能夠介導(dǎo)水稻苗期根-莖組織間的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)[137]，Ma等[138]利用膜片鉗技術(shù)首次直接證實(shí)OsPHO1;2具有Pi內(nèi)流和外排轉(zhuǎn)運(yùn)活性且以外排活性為主。研究發(fā)現(xiàn)Ospho1;2突變體籽粒灌漿過程中胚乳細(xì)胞的Pi含量顯著累積而總磷含量降低，表明該蛋白能將Pi從胚乳細(xì)胞中釋放出來(外排)，維持籽粒中Pi穩(wěn)態(tài)并保證有機(jī)磷的正常合成[138]。綜上，Pi從營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)顯著提高了磷再利用效率，有利于作物后期生長發(fā)育過程中磷素的積累，對(duì)提高作物結(jié)實(shí)率與促進(jìn)果實(shí)發(fā)育具有積極作用。

4 結(jié)論與展望

植物在應(yīng)對(duì)缺磷脅迫和/或葉片發(fā)生衰老過程中，體內(nèi)各有機(jī)磷庫與無機(jī)磷庫中的磷素會(huì)被酶類水解活化，并通過磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到需無機(jī)磷的新生組織及器官中再利用，繼而提高了植株磷的再利用效率并有效緩解植物缺磷的狀況，這一過程對(duì)維持植物正常生長發(fā)育與促進(jìn)整體的磷循環(huán)發(fā)揮著重要作用。許多受缺磷誘導(dǎo)的基因也可受衰老誘導(dǎo)而發(fā)生上調(diào)，比如植物在缺磷或衰老過程中均可發(fā)生膜脂質(zhì)重塑反應(yīng)。因此，缺磷和衰老兩種脅迫條件下磷的活化再利用有何區(qū)別有待于進(jìn)一步探索。目前，PHT1已被鑒定為可以將Pi從老葉轉(zhuǎn)運(yùn)到新葉中的主要磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族，且有研究發(fā)現(xiàn)定位于葉綠體上的PHT2家族成員(PHT2;1)也參與了老葉中磷的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。但是關(guān)于PHT1、PHT2、PHT3和PHT4家族蛋白如何將磷素從源器官轉(zhuǎn)運(yùn)到庫器官缺乏系統(tǒng)研究。綜上所述，需要深入探索植物體內(nèi)磷素的再活化利用及與磷轉(zhuǎn)移相關(guān)的分子生物學(xué)機(jī)制，為提高磷的利用效率并培育出磷高效作物品種提供科學(xué)理論依據(jù)與技術(shù)支撐。