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根菌共生自我调节中的“老大”被上海科学家找到了 调控它或可少用磷肥

来源:新民晚报     记者:郜阳     作者:郜阳     编辑:张钰芸     2021-10-13 09:25 | |

图说:在《细胞》杂志发表封面文章 来源/中科院分子植物卓越中心(下同)

  磷是构成生物体的基本组分,也是植物生长发育所必需的大量营养元素。不过,磷元素不易吸收,它主要以有机磷或难溶性盐的形式存在于土壤中。植物动足了脑筋,想出两招来使自己茁壮成长:简单的是直接吸收;另一种则是通过与丛枝菌根真菌共生,从外界环境中获取营养的“曲线”途径。

  过去50多年的研究发现:植物根据自身的磷营养状态调控丛枝菌根共生的效率,被称为菌根共生的“自我调节”,但其调节机制一直未知。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队首次绘制了水稻-丛枝菌根共生的转录调控网络,揭示了植物的直接磷吸收途径和菌根共生磷吸收途径都是受植物磷响应网络的统一控制。相关成果以封面论文的形式于北京时间昨天深夜发表在国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)上。

图说:王二涛研究员在观察植物研究材料

  古老关系的新发现

  要知道,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,也是植物适应陆地环境关键事件之一。王二涛介绍,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;同时,丛枝菌根共生能帮助植物抵抗病原菌和其他非生物逆境。

  前期研究发现,PHRs是调控植物磷元素直接吸收途径的核心转录因子。而磷元素感受器SPX通过抑制PHR的活性,维持植物体内的磷元素稳态。

  在这项研究中,王二涛领衔的团队使用水稻中菌根共生相关基因的启动子作诱饵,筛选水稻转录因子文库,绘制了水稻-丛枝菌根共生的转录调控网络,并发现磷响应转录因子PHR处于网络的核心位置。

  进一步研究发现,PHR通过结合在菌根共生相关基因的调控区域,进而控制丛枝菌根共生。有意思的是,研究人员还发现缺失磷感受器SPX后,植物菌根共生的“自我调节”失灵了。

  “PHR最早是西班牙科学家在2001年发现的,但他们当时用的模式植物是拟南芥,而拟南芥是极少数不形成菌根共生的植物。”王二涛表示,“我们此次研究得出,PHR既管‘内政’——磷元素的直接吸收,也‘主导外事’——控制丛枝菌根共生,可谓‘内外兼修’。”

图说:水稻-丛枝菌根共生的转录调控网络

  “大满贯”研究员瞄准“最前沿”

  “CNS”,在神经生物学中指的是中枢神经系统。而在每一位科研人心中,CNS有着另一重含义:《细胞》《自然》《科学》这三本国际顶尖期刊。虽然科研的目的并非发论文,但能在国际学术舞台发出中国科技声音,也是大家努力的方向。

  自2013年留学归国起,王二涛在植物与微生物互作领域屡有建树。2017年,王二涛研究组发现,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,这项工作发表在了《科学》上;去年底,《自然》又报导了他的新突破:王二涛研究组发现了豆科植物皮层细胞获得SHR-SCR干细胞分子模块是根瘤发育的关键,从而回答了“为什么豆科植物能与根瘤菌共生固氮”的问题。加上这回在《细胞》封面的成果,王二涛实现了“大满贯”。

  国际同行评价说,这项研究成果具有原创性且非常有趣,是菌根共生领域一次巨大的概念突破,为这一领域开辟了新的研究方向。

  王二涛说,目前在农业生产中,为了获取粮食的丰收,施加了大量的化肥。这严重污染生态环境,是我国农业生产中亟待解决的重大问题之一。“未来,我们可以通过提高PHR基因的表达,有望达到增加植物直接吸收磷元素和间接通过丛枝根菌共生吸收磷元素的目的,降低农业磷肥的施用。”   

  新民晚报记者 郜阳

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