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2021年10月12日，分子植物卓越中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術期刊《細胞》（Cell）上發表題為“A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis（磷信號中樞網絡調控菌根共生）”的封面論文。首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡，發現植物直接磷營養吸收途徑（根途徑）和共生磷營養吸收途徑（共生途徑）均是受到植物的磷信號網絡統一調控，回答了菌根共生領域“自我調節”這一困擾領域的重要科學問題。

研究背景

磷是植物生長發育必需的三大營養元素之一，是植物體重要的組成成分，廣泛參與植物體內眾多酶促反應及細胞信號轉導過程。在農業生產中，為提高農作物產量，目前主要依靠大量施加氮肥和磷肥來實現增產，但同時也造成了嚴重的環境污染。

植物主要通過兩種途徑獲取營養：第一種是植物根系直接從土壤吸收營養，稱為直接營養吸收途徑；植物在感知土壤中的氮、磷等營養元素濃度后，通過根的外表皮層和根毛細胞直接從土壤中吸收營養元素。第二種是植物通過與菌根真菌共生從外界環境中獲取營養，稱為間接營養吸收途徑。

植物和叢枝菌根真菌建立共生與植物由水生向陸生進化發生在同一時期，是自然界中最古老的共生關系，是植物適應陸地環境關鍵事件之一。叢枝菌根共生是最普遍的一種共生，是植物從環境中高效獲取營養的重要途徑，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。中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組2017年發表在《科學》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，而菌根真菌會幫助宿主植物增加對磷等營養元素的吸收。

過去50多年的研究發現：植物根據自身的磷營養狀態調控其與叢枝菌根真菌之間的共生，研究人員稱為菌根共生的“自我調節”（“self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis），但其調節機制未知。

菌根共生的叢枝結構

研究過程

研究以水稻中菌根共生相關基因的啟動子為誘餌，進行水稻轉錄因子文庫篩選，首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡，并驗證了多個調控叢枝菌根共生的轉錄因子。令人意外的是，磷響應轉錄因子OsPHR1/2/3處于菌根共生轉錄調控網絡的核心位置。進一步研究發現，PHRs通過結合P1BS順式作用元件激活菌根共生相關基因的表達，正向調控叢枝菌根共生。Osphr1/2/3三突變體中，菌根真菌不能有效定殖水稻根部皮層細胞，表明PHRs是菌根共生關鍵調控因子。

SPX是磷的感受器，通過蛋白互作抑制PHRs結合到目的基因的啟動子上，抑制低磷響應基因的表達。研究發現，水稻中的SPX1能夠抑制OsPHR2激活菌根共生相關基因的表達。PHR過量表達植株和SPX缺失突變體的菌根共生對高磷處理不敏感，表明高磷通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。

高磷通過SPX-PHR模塊控制菌根共生

相關信息

為了獲取糧食的豐收，農業生產施加大量的含磷化肥，嚴重污染生態環境，是我國農業生產中亟待解決的重大問題之一。通過提高PHR基因的表達，有望達到增加水稻直接吸收磷營養和間接通過叢枝菌根共生磷營養吸收的目的，降低農業磷肥的施用，為農業生產的可持續發展提供新的方案。

分子植物科學卓越創新中心博士后石進彩為第一作者，王二濤研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中科院基礎研究青年科學家項目、中國科學院先導科技專項和國家重點研發項目的資助。

王二濤研究員及其團隊合影

漫畫解讀

本文轉載自中國科學院分子植物科學卓越創新中心

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的转录组+微生物组联合解密困扰50年的丛枝菌根共生“自我调节”中枢分子网络机制...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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