植物耐低磷的转录调控机制

孟令芝 ，樊 娟 ，陈 钊 ，李亚娟 ，王兴春 ，杨致荣

（1.山西农业大学生命科学学院，山西太谷030801；2.山西农业大学研究生学院，山西太谷030801；3.山西农业大学文理学院，

山西太谷030801；4.华南农业大学公共基础课实验教学中心，广东广州510642；5.山西农业大学农业生物工程研究所，山西太谷030801）

磷作为植物生长发育所必需的大量元素之一，是组成生物膜的重要成分，在植物生长发育过程中起着不可或缺的作用[1]。但是，由于全球土壤普遍缺磷，人们只能通过增施磷肥来保证磷供应。即便如此，全球30%的耕地仍然存在缺磷现象，因施用高磷肥的结果会造成更大比例的磷流失[2]。近年来，山西土壤普查结果显示，土壤有效磷含量有所上升，但不科学的耕作制度也造成了养分发展的不平衡和环境的严重污染[3]。因此，如何高效地利用磷受到了人们的普遍关注，对其分子机制的研究更受到了高度重视。

国外对作物磷营养效率基因型差异的研究起步较早，早在20世纪初就由Smith率先在玉米上进行研究，之后人们相继对黑麦、小麦、大麦、高粱、豆类、番茄、三叶草等作物进行了相关研究[4]。2005年，国际上第一个在植物中具有明确提高磷效率功能的转录因子OsPTF1在浙江大学被克隆成功[5]。在此之后，低磷诱导转录因子的研究受到广泛关注，如MYB家族中的MYB62和PHR1等。同时，PHR1的2个靶基因PHO1和PHO2也是低磷诱导基因。其中，PHO1基因也受到WRKY家族中WRKY6的调控。除WRKY6之外，WRKY家族中的WRKY42，WRKY75也对磷酸内稳态起到了重要作用[6-7]。

笔者介绍了国内外各种低磷诱导相关转录因子的研究现状以及影响转录因子调控的因素，希望为今后开展相关低磷诱导基因的研究和应用工作奠定理论基础。

1 植物低磷胁迫转录因子的调控

有研究表明，当植物受到低磷胁迫时，一些基因被诱导表达，植物的生理构型就会随之发生改变[8]。这些被诱导的基因并非独立存在，而是相辅相成的。同时，这些基因会引起植物体内某些营养元素的变化，以此诱导形态变化，使之利于磷的吸收。

拟南芥中的MYB转录因子PHR1与磷饥饿响应有重要的联系。在phr1突变体中，花青素的积累量、淀粉和糖的含量都比野生型低，AGP酶活性也较低，因此，易受到磷饥饿诱导基因的影响，导致发育缓慢，根冠比和花青素含量明显低于野生型[9]。另外，在缺磷时受到光胁迫的phr1突变体中PSII的量子产量也明显减少，而PSII与光淬灭相关。由此可以推断，PHR1可能影响植物的光合作用，避免光系统在高光强下受到永久伤害[10]。

PHO1和PHO2都是PHR1的靶基因，过量表达PHR1可以提高PHO1和PHO2的转录水平。Hamburger等[11]通过图位克隆的方法从拟南芥中分离到了PHO1基因。序列分析表明，PHO1有10个同源基因，其中，受到磷酸胁迫正调控的基因仅有3个，分别是 AtPHO1，AtPHO1；H1 和 AtPHO1；H10。PHO1和PHO1；H1定位于根和幼苗的维管束，其中，AtPHO1；H1在正常情况下表达量很低，缺磷时受到PHR1转录因子的调控而使表达量增加。无论缺磷与否，在含有蔗糖的培养基中，AtPHO1和At－PHO1；H1转录水平都有所升高，而AtPHO1；H10却受到抑制[12]。与蔗糖合成相关的转录因子SUC2过量表达也可引起拟南芥磷酸高敏感突变体出现相关表型[13]。说明蔗糖也会影响磷诱导基因的表达。

WRKY6通过调控PHO1的表达适应磷胁迫，它的过量表达又可以抑制PHO1的表达，PHO1表达又抑制了WRKY42的转录，说明WRKY6和WRKY42都与PHO1表达调控拟南芥低磷胁迫响应有关[14]。此外，WRKY75对PHO1表达的抑制会在低磷时减弱。通过微阵列分析发现，WRKY75可以正调控拟南芥中磷吸收和根系发育。同时，微阵列分析结果也表明，另一个对磷负调控的C2-H2型锌指蛋白转录因子ZAT6在缺磷时明显被诱导。ZAT6过量表达也抑制了一些磷胁迫基因的表达，暗示了它影响磷酸内稳态的很多方面[15]。

在磷供应充足的情况下，pho2突变体会在叶片中积累一定的磷。微体嫁接表明，pho2突变体的根部构型有助于叶片中磷的积累。图位克隆发现，PHO2是罕见的E2结合酶基因，同时也是受低磷特异诱导表达的microRNAmiR399的底物。此外，一些在缺磷phr1突变体中受到抑制的磷酸响应基因，在不缺磷的pho2突变体中却受到正调控。可见，PHO2和miR339是PHR1下游进行磷酸调控网络的分支[16]。

BHLH32也是一个磷酸饥饿响应的负调控基因。bhlh32突变体不缺磷时，磷饥饿诱导基因的表达量、花青素积累量、总磷含量以及根毛数目都比野生型明显上升。被BHLH32负调控的某些基因可以编码 PPCK（phosphoenolpyruvatecarboxylasekinase），而PPCK在修饰新陈代谢时会造成磷损耗[17]。

可见，这些耐低磷转录因子互相作用的同时影响其他化合物的合成，形成一个大的调控网络，然后共同影响植物中的磷酸内稳态。因此，可以采取各个击破的方式，对这些转录因子分别进行功能研究及表达分析，找到它们之间的联系，最终得到一个完整的磷酸调控网络。

2 低磷胁迫转录因子与激素调控

低磷胁迫时，低磷诱导转录因子可以刺激赤霉素合成，乙烯、脱落酸等激素又会影响磷酸信号传导通路，影响磷吸收。

DELLA蛋白是赤霉素信号通路的核心组成部分，该通路在缺磷时有助于植物花青素积累和根系形态变化（如根毛长度的调控）[18]。此外，过量表达MYB62会出现典型的赤霉素缺失表型，所有GA生物合成基因的调控都受MYB62影响。

乙烯对植物耐低磷响应有间接的影响，它能够调节不同浓度磷酸条件下根系的相对伸长率，改变磷酸信号传导通路，使植物根系适应低磷环境[19]。脱落酸会诱导一些与耐低磷相关的锌指蛋白基因在受磷胁迫的植株中表达。此外，生长素响应基因表达量在磷胁迫植株中也普遍下调[20]。另外，细胞分裂素、生长激素等也会对磷吸收产生一定的影响。

3 低磷胁迫转录因子与根系生长发育

植物缺磷时会引起一些形态变化来适应低磷胁迫，这种变化主要来自根系方面。如低磷时根系为了吸收到更多的磷，根毛密度大大增加，根系形态发生明显变化[21-22]。近年来的研究表明，WRKY75[23]和ZAT6[15]等转录因子参与了低磷胁迫时根系发育的调控。之所以会发生根系形态的变化，与耐低磷转录因子调控某些促进根系生长、细胞分裂的激素有关。这一观点已有一定的研究基础，但还有待进一步探索。

4 磷相关转录因子对花青素积累的调控

众所周知，植物缺磷的一个典型特征就是花青素积累。然而，phr1突变体在低磷胁迫时无花青素的积累，在激素胁迫时却可以正常积累花青素，表明PHR1特异地调控了低磷胁迫时花青素的积累[24]。与PHR1不同，BHLH32是低磷反应的负调控因子，功能缺失突变体bhlh32在正常条件下积累更多的磷和花青素[17]。在bhlh32突变体中，花青素合成的关键基因DFR的表达量明显升高[17]，表明BHLH32是花青素合成的一个负调控因子。除此之外，ZAT6[15]，WRKY6[14]，WRKY75[23]和 MYB62[25]等已知的磷相关基因都与花青素的合成或积累有关。表明植物缺磷与花青素积累之间有密切的联系。

5 展望

当植物缺磷时，一些耐低磷的转录因子被诱导，使其下游的靶基因表达量上升或下调，引起这些基因调控的激素水平改变，调控植物发生形态变化，最终适应缺磷环境，达到磷高效利用的目的。尽管已有百余个磷营养效率候选基因相继被克隆，但其耐低磷胁迫相关机制尚需进一步研究[26]。这些耐低磷胁迫相关的转录因子只要有一个发生突变，就会引起其他转录因子及一些基因的变化，从而使整个植物的基因调控网络发生变化，可谓“牵一发而动全身”。研究磷吸收的分子机制是解决磷高效利用、保护环境和减少资源浪费的根本方法。

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