植物對磷元素的吸收與利用

鄧宏穎 王園圓 郭京豪

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學，河北 邢臺 054000）

0 引言

磷是植物所必需的第二大礦質(zhì)營養(yǎng)元素，在植物的生長、發(fā)育和繁殖過程中發(fā)揮著重要作用，是植物生長的限制性營養(yǎng)元素。此外，磷還參與構(gòu)成細胞的生物膜系統(tǒng)，是許多重要分子的組成成分，如構(gòu)成核酸、磷脂高能分子及很多輔酶等；參與細胞內(nèi)很多重要的生理生化過程，如參與細胞分裂、能量代謝、光合作用、酶促反應等，并通過磷酸化及去磷酸化作用參與酶活性調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導過程。

植物可以通過根系吸收、利用土壤中處于游離狀態(tài)的磷元素，以游離狀態(tài)存在的磷元素包括一價和二價磷酸鹽（HPO和HPO）。盡管土壤中存在大量的磷元素，然而絕大多數(shù)磷元素都是以不能直接被植物吸收利用的有機磷和難溶性的無機磷酸鹽沉淀（如磷酸鈣鹽等）的形式存在，可以被植物吸收利用的磷酸鹽極為缺乏。土壤中可供植物利用的游離磷濃度平均為1 μmol/L或更低，很少高于10 μmol/L，遠遠低于植物組織中的磷含量（5～20 mmol/L）。另外，可溶性磷酸鹽在土壤中的遷移率很低，使得植物對游離磷的利用率極低。因此，自然生長在土壤中的植物往往都會受到磷元素缺乏的脅迫。

磷元素供應缺乏嚴重限制植物的生長，主要影響其開花和結(jié)實，表現(xiàn)為植株矮小、結(jié)實率低等。因此，研究植物吸收、利用磷元素的機制，培育出能夠在低磷條件下高效吸收和利用磷元素的作物顯得尤為重要。

1 植物對磷的吸收與轉(zhuǎn)運機制

土壤中可被吸收利用的游離磷酸鹽含量較低，而植物細胞內(nèi)的有效磷濃度遠高于外界環(huán)境中的無機磷濃度，因此，植物吸收磷酸根離子進入細胞是逆濃度梯度的耗能過程。植物通過根系吸收外部土壤環(huán)境中的磷酸鹽，一般通過跨膜的磷轉(zhuǎn)運體蛋白，利用H-ATP酶形成的跨膜質(zhì)子濃度梯度協(xié)同轉(zhuǎn)運游離的無機磷酸鹽。植物體跨膜離子吸收過程遵循米氏方程，在低磷環(huán)境（微摩級）中的磷吸收通常是雙曲線單相的，而在高磷環(huán)境（毫摩級）中則是雙相的。這表明植物體在低磷和高磷環(huán)境中的磷吸收過程分別由高親和性磷轉(zhuǎn)運機制和低親和性磷轉(zhuǎn)運機制介導。低親和磷轉(zhuǎn)運體多為組成型表達，而高親和磷轉(zhuǎn)運體受低磷脅迫誘導表達。當外部環(huán)境中磷元素缺乏時，植物體內(nèi)誘導表達高親和性磷轉(zhuǎn)運體，提高植物在低磷環(huán)境下的磷吸收能力，適應低磷環(huán)境。

根據(jù)序列特異性及不同的亞細胞定位，植物體內(nèi)的磷酸鹽離子轉(zhuǎn)運體蛋白（Phosphate Transporter，PHTs）共 分 為 四 類 家 族：PHT1、PHT2、PHT3、PHT4。通過對模式植物擬南芥的基因組分析發(fā)現(xiàn)，擬南芥基因組共編碼9個高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運體，屬于PHT1家族，與酵母磷轉(zhuǎn)運體Pho84有極高的同源性。對植物進行低磷脅迫處理后，利用逆轉(zhuǎn)錄PCR（Reverse Transcription-PCR，RT-PCR）分析磷轉(zhuǎn)運體的組織特異性，結(jié)果表明，大部分高親和性磷轉(zhuǎn)運體定位在細胞質(zhì)膜上，大量表達在植物體根部，除了在根部受低磷誘導表達外，PHT家族磷轉(zhuǎn)運體還在不同地上部分的組織細胞中有表達，說明其不僅在根系磷吸收過程中起作用，還參與了植物體內(nèi)磷元素的再轉(zhuǎn)移過程。

PHT1家族成員之間有極高的氨基酸序列同源性，每個蛋白含有12個跨膜結(jié)構(gòu)域，其中6個跨膜結(jié)構(gòu)域含有大的親水基團，其余結(jié)構(gòu)域含有大量的溶質(zhì)轉(zhuǎn)運體拓撲結(jié)構(gòu)。在PHT1家族中，以PHT1;1和PHT1;4的轉(zhuǎn)錄水平最高，并且其轉(zhuǎn)錄水平在低磷條件下大幅升高。研究人員分別獲得了這兩個基因的敲除突變體，并進一步構(gòu)建了雙敲除突變體，用于進行表型觀察及磷吸收能力、磷含量測定，發(fā)現(xiàn)這兩個基因?qū)τ跀M南芥在低磷和磷充足環(huán)境下吸收磷元素均發(fā)揮了主要作用。

酵母中的磷轉(zhuǎn)運蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的轉(zhuǎn)運由COPII囊泡介導，SAR1 GTP酶經(jīng)鳥嘌呤核苷酸交換因子SEC12激活后，可促進COPII囊泡的招募和對轉(zhuǎn)運蛋白的選擇，SEC12蛋白的表達受低磷誘導。研究人員發(fā)現(xiàn)，擬南芥體內(nèi)存在一個結(jié)構(gòu)上與酵母SEC12蛋白類似的PHF1（Phosphate Transporter Traきc Facilitator1）蛋白。PHF1定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，在植物細胞的分泌運輸早期發(fā)揮作用，喪失該蛋白功能的擬南芥突變體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累了大量PHT1;1、PHT1;2和PHT1;4，而質(zhì)膜上磷轉(zhuǎn)運體的數(shù)目大大減少，導致突變體的磷吸收能力受阻，在正常培養(yǎng)條件下表現(xiàn)出缺磷表型。這體現(xiàn)了PHF1介導磷轉(zhuǎn)運體從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到細胞質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運過程。在磷元素充足的條件下，水稻磷轉(zhuǎn)運體PT8可被激酶CK2α3/β3磷酸化，抑制其向質(zhì)膜轉(zhuǎn)運；低磷脅迫可促進CK2α3/β3降解。

在植物體內(nèi)，除了PHT家族參與磷酸鹽的吸收和轉(zhuǎn)運外，還有一類膜蛋白參與了磷酸鹽的體內(nèi)轉(zhuǎn)運過程。PHO1包含6個跨膜結(jié)構(gòu)域，氨基端有一個長長的親水結(jié)構(gòu)域，含有3個SPX結(jié)構(gòu)域，羧基端大部分是疏水的，含有1個EXS結(jié)構(gòu)域。在酵母體內(nèi)，這兩個結(jié)構(gòu)域通常認為參與對磷酸鹽的轉(zhuǎn)運。GUS染色表明該基因定位于木質(zhì)部薄壁細胞，介導磷從根的表皮、皮層向木質(zhì)部轉(zhuǎn)運。在PHO1的功能缺失突變體中，磷酸鹽從根系轉(zhuǎn)運到地上部分的過程嚴重受阻，導致植株地上部分表現(xiàn)出磷酸鹽缺乏癥狀。

2 植物對低磷的響應

2.1 根系形態(tài)的適應

植物通過調(diào)節(jié)根系結(jié)構(gòu)適應低磷環(huán)境。在低磷環(huán)境下，植物根尖部分感受低磷，通過抑制分生組織活性抑制主根生長，誘導根尖靜止中心（Quiescent Center）細胞分裂，促進根尖分生干細胞分化，促進側(cè)根的形成及伸長，并提高側(cè)根密度，增加根毛數(shù)量，從而增大根系與土壤之間的接觸面積，提高根系的磷吸收能力（見圖1）。當幼苗處于磷充足條件下時，其根系結(jié)構(gòu)如圖1左側(cè)所示，主根充分延伸，側(cè)根生長不明顯；當幼苗處于低磷脅迫時，其主根的伸長生長受到抑制，形成大量的側(cè)根和根毛，從而增強根系與土壤的接觸面積，使根系盡可能最大限度地吸收土壤中的磷酸鹽。

圖1 根系結(jié)構(gòu)對土壤磷含量的適應

在低磷脅迫條件下，玉米根系輕微地伸長，水稻主根也會伸長，而擬南芥主根伸長則會受到抑制。根部PDR2（Phosphate Deficiency Response 2）編碼P5類ATP酶，PDR2的功能缺失突變體在低磷脅迫條件下表現(xiàn)出由于分生組織活性受抑制而根部很短的表型。也有研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥基因組內(nèi)多價銅離子氧化酶LPR1與其同工酶LPR2協(xié)同作用于PDR2上游，低磷條件下這兩個蛋白在根尖的活性能夠顯著降低根尖部分分生及伸長能力，共同抑制擬南芥主根伸長。

2.2 生理生化響應

在低磷脅迫下，除了改變植物根系結(jié)構(gòu)、提高根冠比，植物體還會表現(xiàn)出一系列生理生化響應，如花青素和淀粉積累，增加有機酸和酸性磷酸酶的分泌，提高磷轉(zhuǎn)運體功能，通過磷脂代謝改變脂質(zhì)成分等。植物通過促進根系表面有機酸的分泌，可以置換出土壤中被金屬離子螯合的磷；通過向外分泌酸性磷酸酶，有利于促進降解土壤中的有機磷，從而提高根系周圍游離磷酸鹽的濃度。缺磷植株的地上部分會有花青素的積累，用于保護葉綠體，使其不會受到光抑制作用的影響。

酸性磷酸酶可以催化有機磷酸酯類水解為游離的磷酸鹽。研究最多的酸性磷酸酶是紫色酸性磷酸酶，因其在溶解狀態(tài)下表現(xiàn)出與眾不同的紫色或粉色而得名。紫色酸性磷酸酶屬于金屬磷酸酯酶家族，包括磷酸化蛋白磷酸酶及核酸外切酶，具有高度保守的催化位點。擬南芥基因組編碼29個紫色酸性磷酸酶，低磷可以誘導部分酸性磷酸酶的從頭合成。紫色酸性磷酸酶（PAP）為約55 kDa的同源二聚體，能水解多種含磷底物，不同PAP對含磷底物的作用具有選擇性。其中，AtPAP9、AtPAP10和AtPAP13是組成型表達的，對含磷底物具有選擇特異性，可在細胞內(nèi)分解儲存的或需要重新利用的含磷有機物，參與細胞內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的正常維持。AtPAP11和AtPAP12受低磷脅迫的誘導，可分泌到根際土壤中，降解土壤中的含磷底物。AtPAP26是主要的胞內(nèi)酸性磷酸酶，當擬南芥細胞內(nèi)缺磷時可降解回收液泡中的含磷化合物為細胞提供磷酸鹽。一些轉(zhuǎn)錄因子如PHR1、WRKY75、ZAT6可以誘導低磷條件下紫色酸性磷酸酶的表達。

3 植物體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的維持

盡管土壤中的磷元素含量有很大波動，但植物細胞內(nèi)的磷元素含量總是受到嚴格調(diào)控，保持在動態(tài)平衡的狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一目標，植物已經(jīng)進化出一系列協(xié)調(diào)響應機制以節(jié)約、循環(huán)、再利用體內(nèi)的磷元素，并增強從外界環(huán)境獲取磷元素的能力。

采用芯片技術(shù)對低磷處理后的擬南芥的轉(zhuǎn)錄組進行分析，發(fā)現(xiàn)在分子水平對低磷的調(diào)控需要成百上千個基因協(xié)同作用。對表達量有變化的低磷響應基因進行功能分類，發(fā)現(xiàn)這些基因參與許多代謝途徑、離子轉(zhuǎn)運、信號轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)錄調(diào)控及其他生長發(fā)育相關(guān)過程。目前，這個調(diào)控網(wǎng)絡鑒定得到的成員包括轉(zhuǎn)錄因子、非編碼RNA、SPX亞家族蛋白以及參與蛋白SUMO化、磷酸化、去磷酸化修飾的蛋白。

3.1 轉(zhuǎn)錄因子

轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合靶基因啟動子區(qū)特定的DNA序列，通過改變RNA聚合酶結(jié)合至目的基因啟動子區(qū)域的能力，調(diào)控目的基因的表達。擬南芥的PHR1是第一個鑒定得到的參與調(diào)控植物響應低磷的轉(zhuǎn)錄因子。研究人員利用低磷誘導報告基因AtIPS1::GUS篩選獲得了（Phosphate Responsive Less 1）突變體并克隆了PHR1基因，該突變體表現(xiàn)為體內(nèi)磷含量降低、花青素積累減少，低磷響應基因受低磷誘導的程度明顯降低。PHR1屬于MYB-CC轉(zhuǎn)錄因子家族，分析發(fā)現(xiàn)其與衣藻中編碼磷相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的PSR1基因同源；構(gòu)建連接GFP材料觀察PHR1亞細胞定位，發(fā)現(xiàn)PHR1定位于細胞核中，該蛋白能以二聚體的形式特異結(jié)合在低磷誘導表達基因的啟動子區(qū)，其識別的順式作用元件為GNATATNC（P1BS），從而誘導這些基因在低磷脅迫下的表達，以適應低磷環(huán)境。

利用芯片技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，PHR1及與其同源性極高的PHL1共同調(diào)控著擬南芥基因組中絕大多數(shù)受低磷誘導或抑制表達基因的轉(zhuǎn)錄水平。在PHR1、PHL1雙敲除突變體中，野生型中受低磷誘導表達4倍以上的基因有將近90%在低磷下的表達受到2倍以上的抑制。PHR1及PHL1作為響應低磷的中心調(diào)控因子，調(diào)控植物響應低磷環(huán)境。

研究人員通常認為擬南芥體內(nèi)的PHR1為組成型表達。有研究發(fā)現(xiàn)，光和乙烯共同調(diào)控PHR1的表達，光可以誘導PHR1的表達，光信號系統(tǒng)的FHY3、FAR1正調(diào)控PHR1的表達，HY5負調(diào)控PHR1的表達。

在低磷條件下，大量轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用共同響應低磷脅迫。利用芯片技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，MYB家族轉(zhuǎn)錄因子MYB62的表達受低磷誘導上調(diào)，WRKY家族的轉(zhuǎn)錄因子WRKY6、WRKY42、WRKY45、WRKY75的轉(zhuǎn)錄水平也受到低磷的誘導，鋅指蛋白ZAT6的表達在低磷條件下也有上調(diào)，負調(diào)控PSI基因的表達維持磷穩(wěn)態(tài)。MYB62是R2R3類MYB家族轉(zhuǎn)錄因子，低磷脅迫下其特異性在葉片中被誘導表達，其定位在細胞核中，MYB62的過表達材料低磷處理后體內(nèi)PSI基因的轉(zhuǎn)錄水平受到抑制，并大量積累花青素，表明MYB62通過負調(diào)控擬南芥在低磷脅迫下的響應維持體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)。WRKY6在磷酸鹽充足的條件下抑制PHO1的轉(zhuǎn)錄，而在磷缺乏時被降解。WRKY42通過抑制PHO1的表達抑制磷從根部向地上部分的轉(zhuǎn)運，正調(diào)控PHT1;1促進磷的吸收來維持擬南芥體內(nèi)磷的穩(wěn)態(tài)，磷缺乏時，WRKY42通過26S蛋白酶體途徑被降解。WRKY45可結(jié)合PHT1;1的啟動子區(qū)，通過在低磷下增強PHT1;1的轉(zhuǎn)錄促進磷的吸收。以上這些轉(zhuǎn)錄因子分別在磷酸鹽缺乏或充足條件下發(fā)揮作用，共同維持植物體內(nèi)的磷穩(wěn)態(tài)。

轉(zhuǎn)錄因子WRKY75受低磷誘導，低磷條件下，WRKY75的RNAi轉(zhuǎn)基因植株中PSI基因的表達受到抑制，相對于野生型磷吸收能力下降。然而不論在磷充足還是缺磷條件下，WRKY75表達抑制都會引起側(cè)根長度、數(shù)量以及根毛數(shù)量的增加，其對根系結(jié)構(gòu)的影響不依賴于外界磷含量。

3.2 非編碼RNA家族

泛素降解途徑中的E2泛素結(jié)合酶UBC24（即PHO2）的適量表達對于在磷充足條件下維持植物體內(nèi)磷含量的穩(wěn)定是至關(guān)重要的，PHO2在細胞磷含量充足時進行表達以降解包括質(zhì)膜上的高親和磷轉(zhuǎn)運體在內(nèi)的低磷響應蛋白。非編碼的單鏈短RNA分子miR399是一類受低磷誘導表達的microRNA，其在低磷下的誘導受PHR1調(diào)控，能夠特異地與編碼PHO2 mRNA的5’非翻譯區(qū)互補結(jié)合使其降解，從而抑制其對低磷響應蛋白的泛素化降解過程。同源性很高的非蛋白編碼基因At4/IPS1可與miR399部分互補，抑制miR399對PHO2的沉默效應。

擬南芥miR827和miR211同樣受低磷脅迫誘導表達，miR827的靶基因是E3泛素連接酶NLA，其N端含有SPX結(jié)構(gòu)域，NLA可以介導PHT1家族蛋白的降解，miR827通過抑制NLA的活性增強磷吸收。

3.3 糖信號

低磷條件下，植物體內(nèi)糖的含量增加，有大量的糖由地上部分向根部運輸。研究人員發(fā)現(xiàn)，植物對低磷環(huán)境所做出的應答響應過程，包括低磷響應基因的表達以及根系結(jié)構(gòu)的變化都需要糖的存在；不僅是光合作用的產(chǎn)物蔗糖，其他可代謝的糖均可以誘導磷缺乏條件下低磷響應基因的表達，而低磷條件下補充不可代謝的糖類似物卻不能誘導低磷響應基因的表達；在蔗糖含量升高的突變體HPS1中，73%的低磷響應基因即使在磷充足的條件下也會被誘導。

3.4 植物體內(nèi)磷的穩(wěn)態(tài)

相對于模式植物擬南芥，其他植物面臨著土壤環(huán)境中更大程度磷營養(yǎng)的波動，除了通過調(diào)整根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，促進根系分泌有機酸及磷酸酶，誘導高親和磷轉(zhuǎn)運體的表達，促進磷的吸收適應低磷環(huán)境外，還可以通過與根際微生物形成共生體而形成菌根，提高對土壤中磷酸鹽的利用效率。與叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）形成共生關(guān)系是植物體適應磷酸鹽缺乏環(huán)境的重要策略。AMF外菌絲的延長可以將磷元素的供給區(qū)延伸到根際以外，從而改變磷酸鹽的狀態(tài)和寄主植物的生長狀態(tài)。與叢枝菌根真菌共生調(diào)控植物體內(nèi)的磷穩(wěn)態(tài)是一個復雜的過程，如苜蓿叢枝菌根上調(diào)葉片中miR399前體的表達。miR399在地上部分的過量積累會導致其向根部轉(zhuǎn)運，抑制苜蓿根部PHO2的活性，解除其對磷吸收的抑制作用。研究人員通過對植物體內(nèi)與擬南芥中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子同源的基因進行功能分析，找到了植物體內(nèi)調(diào)控磷穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)錄因子，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供生物學思路及理論支持。

4 結(jié)語

磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制營養(yǎng)元素，植物已進化出一系列協(xié)調(diào)響應機制以節(jié)約、循環(huán)、再利用體內(nèi)的磷元素并增強從外界環(huán)境獲取磷元素的能力。在植物響應低磷的過程中，磷酸鹽、糖、激素、microRNA、磷酸肌醇都可以作為信號分子向植物體傳達周圍環(huán)境及其體內(nèi)的磷元素的相關(guān)信息。然而，磷酸鹽是如何作為信號分子發(fā)揮作用的，外部環(huán)境磷含量的變化是如何被植物體感知、傳遞的， 目前這些問題尚未有定論，還需要相關(guān)學者的進一步探索。