连发Cell, Nature和Science等论文, 王二涛研究员:推倒教科书里的“围墙”

科技工作者之家 2021-10-13

    为了从土壤中获取磷 (P),大多数陆地植物使用通过根毛和表皮直接吸收磷酸盐的途径,以及通过菌根共生的间接吸收磷酸盐的途径。这两种途径之间的相互作用尚不清楚。

    2021年10月12日,中国科学院分子植物卓越中心王二涛研究团队在Cell 上在线发表题为“A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis”的封面论文,该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。

    2020年12月9日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队在Nature 在线发表题为“An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation”的研究论文,该研究揭示豆科植物皮层细胞获得SHR-SCR干细胞分子模块,使其有别于非豆科植物。这可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件,回答了“为什么豆科植物能结瘤固氮”这一科学问题。该项工作发现了控制豆科植物根瘤共生固氮的关键分子模块,不仅加深了人们对共生固氮的理解,也为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础,为今后减少作物对氮肥的依赖,实现农业生产的可持续发展提供了新的思路(点击阅读)。

    2017年6月16日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组在Science 在线发表题为“Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal and parasitic fungi”的研究论文,该研究首次揭示了在丛枝菌根真菌与植物的共生过程中,脂肪酸是植物传递给菌根真菌的主要碳源形式,并发现脂肪酸作为碳源营养在植物-白粉病互作中起重要作用。


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    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。在农业生产中,为提高农作物产量,目前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。


    植物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。


    植物和丛枝菌根真菌建立共生与植物由水生向陆生进化发生在同一时期,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。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组2017年发表在《科学》的研究工作表明,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。


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图:水稻-丛枝菌根共生的转录调控网络


    过去50多年的研究发现:植物根据自身的磷营养状态调控其与丛枝菌根真菌之间的共生,研究人员称为菌根共生的“自我调节”(“self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis),但其调节机制未知。


    研究以水稻中菌根共生相关基因的启动子为诱饵,进行水稻转录因子文库筛选,首次绘制了水稻-丛枝菌根共生的转录调控网络,并验证了多个调控丛枝菌根共生的转录因子。令人意外的是,磷响应转录因子OsPHR1/2/3处于菌根共生转录调控网络的核心位置。进一步研究发现,PHRs通过结合P1BS顺式作用元件激活菌根共生相关基因的表达,正向调控丛枝菌根共生。Osphr1/2/3三突变体中,菌根真菌不能有效定殖水稻根部皮层细胞,表明PHRs是菌根共生关键调控因子。


    SPX是磷的感受器,通过蛋白互作抑制PHRs结合到目的基因的启动子上,抑制低磷响应基因的表达。研究发现,水稻中的SPX1能够抑制OsPHR2激活菌根共生相关基因的表达。PHR过量表达植株和SPX缺失突变体的菌根共生对高磷处理不敏感,表明高磷通过PHR-SPX模块抑制菌根共生。


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Cell 封面


    为了获取粮食的丰收,农业生产施加大量的含磷化肥,严重污染生态环境,是我国农业生产中亟待解决的重大问题之一。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。

来源: iNature

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磷酸盐 菌根共生

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