植物對磷元素的吸收與利用

鄧宏穎 王園圓 郭京豪

（河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054000）

0 引言

磷是植物所必需的第二大礦質營養元素，在植物的生長、發育和繁殖過程中發揮著重要作用，是植物生長的限制性營養元素。此外，磷還參與構成細胞的生物膜系統，是許多重要分子的組成成分，如構成核酸、磷脂高能分子及很多輔酶等；參與細胞內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控和信號轉導過程。

植物可以通過根系吸收、利用土壤中處于游離狀態的磷元素，以游離狀態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實，表現為植株矮小、結實率低等。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，而植物細胞內的有效磷濃度遠高于外界環境中的無機磷濃度，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境中的磷酸鹽，一般通過跨膜的磷轉運體蛋白，利用H-ATP酶形成的跨膜質子濃度梯度協同轉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，在低磷環境（微摩級）中的磷吸收通常是雙曲線單相的，而在高磷環境（毫摩級）中則是雙相的。這表明植物體在低磷和高磷環境中的磷吸收過程分別由高親和性磷轉運機制和低親和性磷轉運機制介導。低親和磷轉運體多為組成型表達，而高親和磷轉運體受低磷脅迫誘導表達。當外部環境中磷元素缺乏時，植物體內誘導表達高親和性磷轉運體，提高植物在低磷環境下的磷吸收能力，適應低磷環境。

根據序列特異性及不同的亞細胞定位，植物體內的磷酸鹽離子轉運體蛋白（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現，擬南芥基因組共編碼9個高親和磷酸鹽轉運體，屬于PHT1家族，與酵母磷轉運體Pho84有極高的同源性。對植物進行低磷脅迫處理后，利用逆轉錄PCR（Reverse Transcription-PCR，RT-PCR）分析磷轉運體的組織特異性，結果表明，大部分高親和性磷轉運體定位在細胞質膜上，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，還參與了植物體內磷元素的再轉移過程。

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個跨膜結構域，其中6個跨膜結構域含有大的親水基團，其余結構域含有大量的溶質轉運體拓撲結構。在PHT1家族中，以PHT1;1和PHT1;4的轉錄水平最高，并且其轉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，發現這兩個基因對于擬南芥在低磷和磷充足環境下吸收磷元素均發揮了主要作用。

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

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

2 植物對低磷的響應

2.1 根系形態的適應

植物通過調節根系結構適應低磷環境。在低磷環境下，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，促進側根的形成及伸長，并提高側根密度，增加根毛數量，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，其根系結構如圖1左側所示，主根充分延伸，側根生長不明顯；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 根系結構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。也有研究發現，擬南芥基因組內多價銅離子氧化酶LPR1與其同工酶LPR2協同作用于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構、提高根冠比，植物體還會表現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，提高磷轉運體功能，通過磷脂代謝改變脂質成分等。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，因其在溶解狀態下表現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，可在細胞內分解儲存的或需要重新利用的含磷有機物，參與細胞內磷穩態的正常維持。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是主要的胞內酸性磷酸酶，當擬南芥細胞內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 植物體內磷穩態的維持

盡管土壤中的磷元素含量有很大波動，但植物細胞內的磷元素含量總是受到嚴格調控，保持在動態平衡的狀態。為了實現這一目標，植物已經進化出一系列協調響應機制以節約、循環、再利用體內的磷元素，并增強從外界環境獲取磷元素的能力。

采用芯片技術對低磷處理后的擬南芥的轉錄組進行分析，發現在分子水平對低磷的調控需要成百上千個基因協同作用。對表達量有變化的低磷響應基因進行功能分類，發現這些基因參與許多代謝途徑、離子轉運、信號轉導、轉錄調控及其他生長發育相關過程。目前，這個調控網絡鑒定得到的成員包括轉錄因子、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 轉錄因子

轉錄因子結合靶基因啟動子區特定的DNA序列，通過改變RNA聚合酶結合至目的基因啟動子區域的能力，調控目的基因的表達。擬南芥的PHR1是第一個鑒定得到的參與調控植物響應低磷的轉錄因子。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，該突變體表現為體內磷含量降低、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轉錄因子家族，分析發現其與衣藻中編碼磷相關轉錄因子的PSR1基因同源；構建連接GFP材料觀察PHR1亞細胞定位，發現PHR1定位于細胞核中，該蛋白能以二聚體的形式特異結合在低磷誘導表達基因的啟動子區，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，以適應低磷環境。

利用芯片技術分析發現，PHR1及與其同源性極高的PHL1共同調控著擬南芥基因組中絕大多數受低磷誘導或抑制表達基因的轉錄水平。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控因子，調控植物響應低磷環境。

研究人員通常認為擬南芥體內的PHR1為組成型表達。有研究發現，光和乙烯共同調控PHR1的表達，光可以誘導PHR1的表達，光信號系統的FHY3、FAR1正調控PHR1的表達，HY5負調控PHR1的表達。

在低磷條件下，大量轉錄因子協同作用共同響應低磷脅迫。利用芯片技術分析發現，MYB家族轉錄因子MYB62的表達受低磷誘導上調，WRKY家族的轉錄因子WRKY6、WRKY42、WRKY45、WRKY75的轉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，負調控PSI基因的表達維持磷穩態。MYB62是R2R3類MYB家族轉錄因子，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PSI基因的轉錄水平受到抑制，并大量積累花青素，表明MYB62通過負調控擬南芥在低磷脅迫下的響應維持體內磷穩態。WRKY6在磷酸鹽充足的條件下抑制PHO1的轉錄，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運，正調控PHT1;1促進磷的吸收來維持擬南芥體內磷的穩態，磷缺乏時，WRKY42通過26S蛋白酶體途徑被降解。WRKY45可結合PHT1;1的啟動子區，通過在低磷下增強PHT1;1的轉錄促進磷的吸收。以上這些轉錄因子分別在磷酸鹽缺乏或充足條件下發揮作用，共同維持植物體內的磷穩態。

轉錄因子WRKY75受低磷誘導，低磷條件下，WRKY75的RNAi轉基因植株中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根長度、數量以及根毛數量的增加，其對根系結構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磷含量的穩定是至關重要的，PHO2在細胞磷含量充足時進行表達以降解包括質膜上的高親和磷轉運體在內的低磷響應蛋白。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調控，能夠特異地與編碼PHO2 mRNA的5’非翻譯區互補結合使其降解，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結構域，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。研究人員發現，植物對低磷環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構的變化都需要糖的存在；不僅是光合作用的產物蔗糖，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 植物體內磷的穩態

相對于模式植物擬南芥，其他植物面臨著土壤環境中更大程度磷營養的波動，除了通過調整根系形態結構，促進根系分泌有機酸及磷酸酶，誘導高親和磷轉運體的表達，促進磷的吸收適應低磷環境外，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）形成共生關系是植物體適應磷酸鹽缺乏環境的重要策略。AMF外菌絲的延長可以將磷元素的供給區延伸到根際以外，從而改變磷酸鹽的狀態和寄主植物的生長狀態。與叢枝菌根真菌共生調控植物體內的磷穩態是一個復雜的過程，如苜蓿叢枝菌根上調葉片中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與擬南芥中關鍵轉錄因子同源的基因進行功能分析，找到了植物體內調控磷穩態的轉錄因子，為農業可持續發展提供生物學思路及理論支持。

4 結語

磷是農業生產的主要限制營養元素，植物已進化出一系列協調響應機制以節約、循環、再利用體內的磷元素并增強從外界環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境及其體內的磷元素的相關信息。然而，磷酸鹽是如何作為信號分子發揮作用的，外部環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，還需要相關學者的進一步探索。