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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【中國科學(xué)報(bào)】植物“自我調(diào)節(jié)”磷吸收也會(huì)“一石二鳥”

2021-10-14 中國科學(xué)報(bào) 李晨黃辛

【字體：大中小】

語音播報(bào)

該論文登上《細(xì)胞》封面。受訪者供圖

　　磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一。植物能根據(jù)自身的磷營養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控其與叢枝菌根真菌之間的共生，這被稱為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”。但“自我調(diào)節(jié)”的分子機(jī)制是什么，一直困擾著科學(xué)家。

　　10月12日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》上發(fā)表封面論文稱，首次繪制了水稻—叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)植物直接磷營養(yǎng)吸收途徑（根途徑）和共生磷營養(yǎng)吸收途徑（共生途徑）均受植物的磷信號(hào)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)控，回答了菌根共生領(lǐng)域“自我調(diào)節(jié)”這一科學(xué)問題。

　　論文審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究結(jié)果具有原創(chuàng)性且非常有趣，是菌根共生研究領(lǐng)域的一次重大突破。

　　古老共生為植物提供七成磷

　　磷是植物體重要的組成成分，廣泛參與植物體內(nèi)眾多酶促反應(yīng)及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，但這樣做也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

　　王二濤介紹，植物主要通過兩種途徑獲取營養(yǎng)。

　　一是植物根系直接從土壤吸收營養(yǎng)，即根途徑。這時(shí)，植物在感知土壤中的氮、磷等營養(yǎng)元素濃度后，通過根的外表皮層和根毛細(xì)胞直接從土壤中吸收營養(yǎng)元素。二是植物通過與菌根真菌共生，從外界環(huán)境中獲取營養(yǎng)，即共生途徑。

　　“叢枝菌根真菌提供給宿主植物的磷元素占宿主植物總磷獲取量的70%以上?！蓖醵f，叢枝菌根共生是最普遍的一種共生，是植物從環(huán)境中高效獲取營養(yǎng)的重要途徑。

　　相關(guān)研究表明，植物和叢枝菌根真菌建立共生關(guān)系，與植物由水生向陸生進(jìn)化發(fā)生在同一時(shí)期。這既是自然界中最古老的共生關(guān)系，也是植物適應(yīng)陸地環(huán)境關(guān)鍵事件之一。

　　“自我調(diào)節(jié)”機(jī)制之謎

　　王二濤研究組2017年發(fā)表在《科學(xué)》的研究工作表明，在菌根共生中，宿主植物以脂肪酸的形式為菌根真菌提供碳源，而菌根真菌會(huì)幫助宿主植物增加對(duì)磷等營養(yǎng)元素的吸收。

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)磷酸鹽饑餓響應(yīng)因子（PHR）是調(diào)控植物根途徑磷元素吸收的核心轉(zhuǎn)錄因子。在低磷條件下，PHR能夠結(jié)合在低磷響應(yīng)基因啟動(dòng)子的P1BS元件上，激活低磷響應(yīng)基因的表達(dá)，增加植物磷元素的吸收。植物體的磷元素感受器SPX通過與PHR之間的互作，抑制植物的低磷響應(yīng)。

　　那么，這一核心轉(zhuǎn)錄因子在間接營養(yǎng)吸收途徑中會(huì)不會(huì)也扮演著一定角色？

　　一個(gè)開關(guān)“管”兩種途徑

　　王二濤告訴《中國科學(xué)報(bào)》，他們?cè)谶@項(xiàng)研究中，以水稻菌根共生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域?yàn)檎T餌，篩選水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫，首次繪制了叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果鑒定到多個(gè)參與調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子。其中，PHR處于該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心。

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PHR通過P1BS元件直接調(diào)控菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)，從而正向調(diào)控水稻—叢枝菌根共生。該研究還發(fā)現(xiàn)PHR過量表達(dá)植株和磷感受器SPX的突變體都表現(xiàn)出對(duì)高磷處理抑制菌根共生的不敏感性，表明高磷是通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。

　　論文審稿人指出：“作者鑒定了一個(gè)整合266個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的菌根共生調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中PHR處于網(wǎng)絡(luò)的核心。該成果是菌根共生領(lǐng)域一次巨大的概念突破，為該領(lǐng)域開辟了新的研究方向?！?/p>

　　論文審稿人認(rèn)為，該研究提供了控制菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全面視圖，揭示了植物磷信號(hào)的關(guān)鍵組分PHR2-SPX1在菌根共生不同階段的核心作用。

　　王二濤表示，通過提高PHR基因的表達(dá)，有望達(dá)到增加水稻直接吸收磷營養(yǎng)和間接通過叢枝菌根共生磷營養(yǎng)吸收的目的，降低農(nóng)業(yè)磷肥的施用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新方案。

　　專家認(rèn)為，解析主要作物水稻中菌根共生調(diào)控機(jī)制，可產(chǎn)生重要的社會(huì)影響。希望這項(xiàng)研究能夠促進(jìn)根瘤共生領(lǐng)域開展類似的研究，揭示氮信號(hào)和根瘤共生的關(guān)系。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030

　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2021-10-14 第1版要聞）

　　該論文登上《細(xì)胞》封面。受訪者供圖
　　磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一。植物能根據(jù)自身的磷營養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控其與叢枝菌根真菌之間的共生，這被稱為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”。但“自我調(diào)節(jié)”的分子機(jī)制是什么，一直困擾著科學(xué)家。
　　10月12日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》上發(fā)表封面論文稱，首次繪制了水稻—叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)植物直接磷營養(yǎng)吸收途徑（根途徑）和共生磷營養(yǎng)吸收途徑（共生途徑）均受植物的磷信號(hào)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)控，回答了菌根共生領(lǐng)域“自我調(diào)節(jié)”這一科學(xué)問題。
　　論文審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究結(jié)果具有原創(chuàng)性且非常有趣，是菌根共生研究領(lǐng)域的一次重大突破。
　　古老共生為植物提供七成磷
　　磷是植物體重要的組成成分，廣泛參與植物體內(nèi)眾多酶促反應(yīng)及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，但這樣做也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。
　　王二濤介紹，植物主要通過兩種途徑獲取營養(yǎng)。
　　一是植物根系直接從土壤吸收營養(yǎng)，即根途徑。這時(shí)，植物在感知土壤中的氮、磷等營養(yǎng)元素濃度后，通過根的外表皮層和根毛細(xì)胞直接從土壤中吸收營養(yǎng)元素。二是植物通過與菌根真菌共生，從外界環(huán)境中獲取營養(yǎng)，即共生途徑。
　　“叢枝菌根真菌提供給宿主植物的磷元素占宿主植物總磷獲取量的70%以上?！蓖醵f，叢枝菌根共生是最普遍的一種共生，是植物從環(huán)境中高效獲取營養(yǎng)的重要途徑。
　　相關(guān)研究表明，植物和叢枝菌根真菌建立共生關(guān)系，與植物由水生向陸生進(jìn)化發(fā)生在同一時(shí)期。這既是自然界中最古老的共生關(guān)系，也是植物適應(yīng)陸地環(huán)境關(guān)鍵事件之一。
　　“自我調(diào)節(jié)”機(jī)制之謎
　　王二濤研究組2017年發(fā)表在《科學(xué)》的研究工作表明，在菌根共生中，宿主植物以脂肪酸的形式為菌根真菌提供碳源，而菌根真菌會(huì)幫助宿主植物增加對(duì)磷等營養(yǎng)元素的吸收。
　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)磷酸鹽饑餓響應(yīng)因子（PHR）是調(diào)控植物根途徑磷元素吸收的核心轉(zhuǎn)錄因子。在低磷條件下，PHR能夠結(jié)合在低磷響應(yīng)基因啟動(dòng)子的P1BS元件上，激活低磷響應(yīng)基因的表達(dá)，增加植物磷元素的吸收。植物體的磷元素感受器SPX通過與PHR之間的互作，抑制植物的低磷響應(yīng)。
　　那么，這一核心轉(zhuǎn)錄因子在間接營養(yǎng)吸收途徑中會(huì)不會(huì)也扮演著一定角色？
　　一個(gè)開關(guān)“管”兩種途徑
　　王二濤告訴《中國科學(xué)報(bào)》，他們?cè)谶@項(xiàng)研究中，以水稻菌根共生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域?yàn)檎T餌，篩選水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫，首次繪制了叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果鑒定到多個(gè)參與調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子。其中，PHR處于該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心。
　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PHR通過P1BS元件直接調(diào)控菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)，從而正向調(diào)控水稻—叢枝菌根共生。該研究還發(fā)現(xiàn)PHR過量表達(dá)植株和磷感受器SPX的突變體都表現(xiàn)出對(duì)高磷處理抑制菌根共生的不敏感性，表明高磷是通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。
　　論文審稿人指出：“作者鑒定了一個(gè)整合266個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的菌根共生調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中PHR處于網(wǎng)絡(luò)的核心。該成果是菌根共生領(lǐng)域一次巨大的概念突破，為該領(lǐng)域開辟了新的研究方向。”
　　論文審稿人認(rèn)為，該研究提供了控制菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全面視圖，揭示了植物磷信號(hào)的關(guān)鍵組分PHR2-SPX1在菌根共生不同階段的核心作用。
　　王二濤表示，通過提高PHR基因的表達(dá)，有望達(dá)到增加水稻直接吸收磷營養(yǎng)和間接通過叢枝菌根共生磷營養(yǎng)吸收的目的，降低農(nóng)業(yè)磷肥的施用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新方案。
　　專家認(rèn)為，解析主要作物水稻中菌根共生調(diào)控機(jī)制，可產(chǎn)生重要的社會(huì)影響。希望這項(xiàng)研究能夠促進(jìn)根瘤共生領(lǐng)域開展類似的研究，揭示氮信號(hào)和根瘤共生的關(guān)系。
　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2021-10-14 第1版要聞）

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