登上CELL封面论文,我国科学家的研究突破有望减少磷肥污染
2021-10-13 19:07:57

中国青年报客户端10月13日电(中青报・中青网记者 王烨捷)北京时间10月12日晚23时,中科院分子植物卓越中心王二涛研究团队在国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)上发表题为“A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis(磷信号中枢网络调控菌根共生)”的封面论文。这一研究,首次绘制了水稻-丛枝菌根共生的转录调控网络,发现植物直接磷营养吸收途径(根途径)和共生磷营养吸收途径(共生途径)均是受到植物的磷信号网络统一调控,回答了菌根共生领域“自我调节”这一困扰领域的重要科学问题。

磷是植物生长发育必需的三大营养元素之一,是植物体重要的组成成分,广泛参与植物体内众多酶促反应及细胞信号转导过程。目前,在全球农业生产中,为提高农作物产量,主要依靠大量施加氮肥和磷肥来实现增产,但同时也造成了严重的环境污染。《科学》杂志2018年的一篇学术论文显示,从1946年至2016年,全球磷肥使用量剧增,从1946年的一千万吨暴涨至2016年的1亿4000万吨。与此同时,磷肥带来的环境污染、水体污染、粮食污染等问题愈发严重,且磷矿不可再生。

如果能找到一种既能提高植物磷营养吸收能力,又不使用磷肥的新方法,就能在保证农作物产量的同时减少环境污染。王二涛团队所作的研究,恰恰就找到了这种全新的可能性。

植物本身主要通过两种途径获取营养:第一种是植物根系直接从土壤吸收营养,称为直接营养吸收途径;植物在感知土壤中的氮、磷等营养元素浓度后,通过根的外表皮层和根毛细胞直接从土壤中吸收营养元素。第二种是植物通过与菌根真菌共生从外界环境中获取营养,称为间接营养吸收途径。

王二涛团队的研究,聚焦于后者。植物和丛枝菌根真菌建立共生是自然界中最古老的共生关系,是植物适应陆地环境关键事件之一。丛枝菌根共生是最普遍的一种共生,是植物从环境中高效获取营养的重要途径,丛枝菌根真菌提供给宿主植物的磷元素占宿主植物总磷获取量的70%以上。王二涛团队研究表明,在菌根共生中,宿主植物以脂肪酸的形式为菌根真菌提供碳源,而菌根真菌会帮助宿主植物增加对磷等营养元素的吸收。

过去50多年的研究发现:植物可以根据自身的磷营养状态,自行调控其与丛枝菌根真菌之间的共生,但其调节机制未知。此前,有西班牙科学家发现,PHR (Phosphate Starvation Response)是调控植物根途径磷元素吸收的核心转录因子。在低磷条件下,PHR能够激活低磷响应基因的表达,增加植物磷元素的吸收。

王二涛团队研究的突破点在于,它首次绘制了丛枝菌根共生的转录调控网络,鉴定到多个参与调控丛枝菌根共生的转录因子,并发现转录因子PHRs处于该调控网络的核心。他们进一步研究发现,PHRs可以通过低磷响应基因启动子的P1BS元件直接调控菌根共生相关基因的表达,从而正向调控水稻-丛枝菌根共生。

也就是说,通过提高PHR基因的表达,有望达到增加水稻直接吸收磷营养和间接通过丛枝菌根共生磷营养吸收的目的,降低农业磷肥的施用,为农业生产的可持续发展提供新的方案。

《细胞》杂志审稿人认为,这项研究技术可行,研究结果具有原创性且非常有趣,是菌根共生研究领域的一次重大突破。“作者鉴定了一个整合266个转录因子的菌根共生调控网络,其中磷信号的关键转录因子PHR处于网络的核心。该成果是菌根共生领域一次巨大的概念突破,为该领域的研究开辟了新的研究方向。”审稿人认为,解析主要作物水稻中菌根共生调控可产生重要的社会影响。

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