惠乾龍，葉文彬，郭晉隆，袁照年，許莉萍

（福建農(nóng)林大學/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部福建甘蔗生物學與遺傳育種重點實驗室，福州 350002）

0 引言

磷既是核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子的重要組成成分，同時，還參與光合作用、核苷酸合成、信號轉(zhuǎn)導以及能量傳遞等多種代謝過程，因此，磷是植物生長至關重要的大量元素之一，但同時又是不可再生的資源。前人研究顯示用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的耕地土壤中，每千克土壤中全磷含量高達0.2～1.1 g[1]，但植物可利用的有效磷即無機磷酸根離子的含量卻較低，一般僅為全磷的0.1%[2]，主要是由于磷固化而成為了閉蓄態(tài)的磷——無機態(tài)磷和有機態(tài)磷，這導致了植物難以吸收。根據(jù)2010年的報道[3]，我國1.07×108hm2耕地中，磷匱乏耕地（0.7×108hm2）占比超過65%，同時，大約30%耕地土壤有效磷含量僅為3～5 mg/kg，因此，磷匱乏已成為限制作物高產(chǎn)的一個主要因素。低磷脅迫下，植物根系不發(fā)達、植株生長緩慢、矮小且瘦弱，同時生育期延遲，并最終導致農(nóng)作物減產(chǎn)30%～40%[2]。甘蔗種植地也普遍磷匱乏，導致分蘗減少、單莖重下降和和總有效莖下降[4]。生產(chǎn)上主要通過施用磷肥補充土壤有效磷的不足，以滿足作物正常生長發(fā)育的需要，但是，磷卻是不可再生的資源。有幸的是，植物基因型之間存在利用效率的差異[4-6]。因此，研究植物對低磷脅迫的響應與適應機制一直是研究的熱點，在栽培中有助于作物磷養(yǎng)分管理，在育種上有助于作物耐低磷種質(zhì)資源的篩選和耐低磷或磷高效利用品種的培育，目標是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷的利用效率和低磷適應性，減少低磷脅迫下作物的產(chǎn)量損失以及過量施用磷肥導致的水體富營養(yǎng)化。

1 植物根系統(tǒng)對磷匱乏的響應

磷是植物正常生長發(fā)育離不開的大量元素之一，農(nóng)田土壤是植物吸取磷的主要供體。在耕地土壤中，全磷含量多數(shù)比較充足，但大部分是植物難以吸收利用的閉蓄態(tài)磷——無機態(tài)磷和有機態(tài)磷。根系作為植物從土壤中吸取磷素營養(yǎng)的關鍵部位，在植物受到磷匱乏脅迫時，也自然成為植物感知這一脅迫發(fā)生的關鍵部位。研究表明，當植物根系感受到脅迫時，可通過改變自身結(jié)構(gòu)或者調(diào)節(jié)其體內(nèi)代謝速度，如通過主根生長的促進或者抑制、側(cè)根長度與數(shù)量的增減、根毛的形成與否、內(nèi)源激素含量及有機酸分泌的變化等，以維持自身的正常生長[7-8]。前人在研究水稻[9]和小麥[10]對低磷脅迫的響應時，發(fā)現(xiàn)植物會通過改變根系形態(tài)特征、增加根際H+和根系有機酸的分泌量，對土壤磷的活化作用增強，從而提高其根際有效磷含量，以便緩解低磷脅迫對植物生長的影響。根系統(tǒng)構(gòu)型影響植物獲得磷的能力，這成為植物不同基因型之間磷耐受性差異的原因之一[7]，同時，外部土壤中磷的供應狀態(tài)也會影響根構(gòu)型。但是，最近在杉木上有關H+外排的研究[11]并不完全支持該觀點，而是認為H+外排是一種應激反應，根系分泌H+以提高其適應低磷脅迫能力，但先決條件是：土壤環(huán)境中必須有難溶性磷的存在。不過，隨著低磷脅迫時間的延長，植物根系H+呈現(xiàn)內(nèi)吸現(xiàn)象，在酸性環(huán)境中，杉木是通過H+內(nèi)流來適應低磷脅迫的[11]。低磷脅迫對根系形態(tài)的影響，一般情況下，表現(xiàn)為根系參數(shù)如總根長、總根表面積等顯著降低，同時主根長度減少，而側(cè)根密度、數(shù)量和細根比例增加，不過根系的平均直徑降低[12-13]。栗振義[14]研究了苜蓿低磷脅迫的表型，顯示地上部和地下部的生長均受到抑制，但根冠比顯著提高，同時根系酸性磷酸酶活性和分泌有機酸明顯增加，以此應對低磷環(huán)境。周建朝等[15]利用沙培和水培研究了甜菜苗期對低磷脅迫的響應，發(fā)現(xiàn)其根形態(tài)特征有明顯變化，根長和根冠比都顯著提高，且耐低磷基因型提高幅度更大，同時，低磷脅迫還導致了根系分泌的草酸和乳酸等物質(zhì)增加，且只有耐低磷的品種其分泌的草酸和乳酸才顯著提高。其中，有關根系分泌物參與土壤磷的活化作用已有較為深入的研究，并已有針對該領域的進展評述[16]；有關低磷脅迫下地下部根長、根冠比、根生物量和根系構(gòu)型已作為評價作物耐低磷的部分指標，并用于水稻[17]、谷子[6]等作物種質(zhì)資源的篩選。同時，根系的生長與構(gòu)型也會發(fā)生變化，以適應低磷環(huán)境。研究顯示低磷脅迫下，谷子根系保護酶活性的提高，對提高谷子低磷脅迫的適應性具有重要作用[6]；低磷脅迫使棉花細根比例增加，磷高效基因型細根比例增加幅度大，并通過降低根系總體細度，促使比根長增加，提高根系的構(gòu)建效率以適應低磷脅迫[18]。那么，對于低磷脅迫，植物根系具體是如何感知和適應的呢？孫海國等[19]對小麥根系感受磷匱乏脅迫響應進行了研究，發(fā)現(xiàn)小麥根系任何部位均可感知磷匱乏環(huán)境的存在。SVISTOONOFF等[20]在擬南芥適應低磷環(huán)境的研究中，發(fā)現(xiàn)其根尖組織是擬南芥生長和感應低磷狀況的部位。盡管已經(jīng)明確了植物根系是植物感知磷匱乏環(huán)境中的關鍵部位，那么植物又是如何適應這一環(huán)境變化的呢？研究表明，當植物受到一定程度的磷匱乏脅迫時，會通過自發(fā)形成的一系列生理、生化活動，如光合作用降低、激素合成變化、活性氧減少、有機酸合成增加以及根系抗氧化酶系統(tǒng)活性的提高等，來維持自身的正常生長發(fā)育[7]。

2 植物激素和磷酸酶對磷匱乏的響應

2.1 植物激素的合成與低磷脅迫響應

激素的合成及利用貫穿植物胚胎發(fā)育至生長成熟、衰老及死亡的整個生活史，激素還是一種重要的植物響應逆境的信號物質(zhì)，并在植物對磷匱乏脅迫的響應中發(fā)揮重要作用[21]。如在低磷條件下，植物生長素的合成、運輸以及信號傳導，都對其根系形態(tài)的改變發(fā)揮重要作用，因此，與根構(gòu)型重塑密切相關[22]。進一步研究顯示，植物可通過生長素的合成抑制其主根的生長，從而促進側(cè)根的生長來適應低磷環(huán)境[23]。萜類化合物赤霉素能夠在生長素的作用下，調(diào)節(jié)植物根器官的伸長，以適應低磷環(huán)境[24]。研究還顯示，在低磷處理條件下，GA3和ABA 的合成與積累較正常供磷顯著增加，這與IAA 正調(diào)控植物響應低磷脅迫的情況相同[25-26]。對擬南芥根系外施乙烯合成前體或者乙烯抑制劑，雖無法促進擬南芥?zhèn)雀纳桑瑓s可有效改善擬南芥主根及根毛的形成，進而更為有效地適應低磷環(huán)境[27]。前人研究顯示，乙烯可以正向調(diào)控低磷誘導的擬南芥根表面AtPAP10基因轉(zhuǎn)錄，并使得酸性磷酸酶活性提高，但張燁[28]的研究卻表明，低磷脅迫環(huán)境下，乙烯不影響AtPAP10基因的表達及其蛋白的積累，但能影響AtPAP10 蛋白的分泌和活性的調(diào)節(jié)過程，同時，乙烯對于低磷脅迫所誘導的根表面酸性磷酸酶活性的作用，是依賴于蔗糖的，但是蔗糖的作用則是獨立于乙烯的。該研究還發(fā)現(xiàn)AtMYB2-miR399-PHO2 信號通路也參與調(diào)控低磷誘導的根表面酸性磷酸酶的活性[28]。對低磷狀況下細胞分裂素（Cytokinin,CTK）含量變化分析表明，擬南芥根生長速率和頂端生長速率與低濃度的CTK含量及減少其受體CTK 的表達相一致[29]，說明CTK在植物響應低磷脅迫中起負調(diào)控作用。進一步的研究發(fā)現(xiàn)外源增施CTK，可顯著抑制擬南芥中AtIPS1（Phosphate-starvation induced genes）、AtPT1（Phosphate Transporter 1）和AtACP5等低磷誘導基因的表達，但根毛的生長并未受到影響。深入研究發(fā)現(xiàn)，這一過程的實現(xiàn)主要是依賴于CRE1/WOL/AHK4等細胞分裂素受體[30-31]。此外，科學家們還發(fā)現(xiàn)獨角金內(nèi)酯（Strigolactones,SLs）同樣在植物磷匱乏脅迫中發(fā)揮著獨特的作用，如MADMON 等對擬南芥進行研究時，發(fā)現(xiàn)SLs可以顯著增加植物根毛生長密集度，以利于擬南芥適應低磷脅迫[32-33]。對擬南芥磷匱乏脅迫下茉莉酸合成及信號轉(zhuǎn)導研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸合成及轉(zhuǎn)導途徑也有可能參與了這一調(diào)控過程[34]。

2.2 磷酸酶的合成與植物磷匱乏脅迫響應

磷酸酶是生物體內(nèi)一種重要的酶類，也是生物體進行信號轉(zhuǎn)導調(diào)控所必需的活性物質(zhì)。根據(jù)其酸堿性程度上的差異分為3 類，即酸性、堿性和中性磷酸酶，在植物磷匱乏脅迫響應中，酸性磷酸酶與其聯(lián)系最緊密[28，35]。低磷脅迫下，植物體內(nèi)酸性磷酸酶的分泌顯著增強，該酶可通過多種作用方式，將植物液泡和衰老組織中所儲存的有機磷酸鹽進行水解和活化，而后釋放出植物可利用的有效磷——磷酸基或活性磷，供植物直接利用[36]。此外，植物還可通過根系，向外部土壤環(huán)境釋放酸性磷酸酶，并作用于土壤中的有機磷底物，使其成為植物可利用的磷[37]。借助分子生物學手段，目前，已從不同植物中分離出一系列的酸性磷酸酶編碼基因，其中編碼紫色酸性磷酸酶的基因（Purple acid phosphatases,PAPs）存在最廣，如李東屏等[38]對擬南芥全基因組序列進行分析發(fā)現(xiàn)，擬南芥中一共存在有29個PAP基因。易雙等[39]基于玉米自交系B73 的全基因組分析，發(fā)現(xiàn)玉米中有24 個PAP 基因。后續(xù)，還從水稻中發(fā)現(xiàn)存在26 個PAP基因。與擬南芥相同，水稻的26 個PAP家族基因也分為3 大家族，7 個亞族，且PAPs基因上均具有1～3 個OsPHR2結(jié)合元件，表明在水稻中PAPs基因可能是通過改變PHR2基因的表達，提高植物對低磷脅迫的適應性[40]。內(nèi)生真菌——印度梨性孢（Piriformospora indica）也會提高油菜對低磷脅迫的適應性，因其可通過刺激酸性磷酸酶的活性和有機酸的積累，增強磷吸收能力[41]。基于全基因組掃描，發(fā)現(xiàn)楊樹中可能存在33 個PAPs基因，同樣被分為3 大家族，其中23 個PtPAPs在楊樹根和葉中均有所表達。低磷脅迫下楊樹根的質(zhì)體蛋白質(zhì)組學分析，表明PtPAP1對低磷脅迫下楊樹磷吸收呈積極的作用[42]。此外，研究還顯示馬鈴薯不同基因型之間磷利用效率存在差異，與其低磷條件下的酸性磷酸酶的活性等呈正相關[43]，在紫花苜蓿中也有類似的發(fā)現(xiàn)[14]，同時，該特性還被作為評價指標之一，應用于水稻磷高效種質(zhì)的篩選[17]。

3 植物適應磷匱乏的分子響應機制

3.1 磷轉(zhuǎn)運蛋白與植物磷匱乏響應

植物根系從土壤中吸取磷，然后分配到其他組織和器官進行利用，該過程需要依賴其體內(nèi)磷轉(zhuǎn)運蛋白體的存在。依據(jù)其所在的位置與功能結(jié)構(gòu)上的差異，可大致分為4類：PHT1、PHT2、PHT3、PHT4，其中PHT1的轉(zhuǎn)運活性和轉(zhuǎn)運能力最強，可能因為該類轉(zhuǎn)運體均位于植物細胞質(zhì)膜上，能夠更容易跨越細胞膜，實現(xiàn)磷轉(zhuǎn)運[44]。磷轉(zhuǎn)運蛋白是由MFS超家族基因所編碼的一個完整的膜蛋白，含多個跨膜結(jié)構(gòu)。該家族基因在不同物種間高度保守，其表達均受低磷脅迫誘導[45]。

3.1.1PHT1亞家族與植物磷匱乏響應

PHT1亞家族成員最多，并均對磷呈現(xiàn)出高的親和力，故在磷轉(zhuǎn)運過程中占主導地位[46]?；蚪M測序發(fā)現(xiàn)擬南芥中有9個、水稻中有13個PHT1成員，多數(shù)可在根系中表達，盡管在相應的其他組織中部分成員也有所表達。因此，推測PHT1亞家族不僅負責磷脅迫下植物根系對磷的吸收，同時還對磷素向植物其他組織器官的輸送起作用[47]。對擬南芥中的PHT1亞家族成員進行研究，發(fā)現(xiàn)在磷匱乏誘導狀況下，部分擬南芥的PHT1基因可顯著表達。對這些基因序列進一步分析發(fā)現(xiàn)，在它們的啟動子區(qū)域均存在有一段保守的回文序列即P1BS（PHR1 binding sequence,GNATATNC）基序，表明它們可能通過PHR1介導的途徑參與磷素響應調(diào)控[48]。隨后，類似的作用途徑在蘋果中也被進一步證實，如過表達蘋果MdPHT1;7基因，可顯著增強蘋果磷積累、低磷耐受性和干旱耐受性[49]。此外，玉米、小麥、大豆、二穗短柄草等物種的PHT1也陸續(xù)被分離出來[50]。

3.1.2PHT2亞家族與植物磷匱乏響應

PHT2 亞家族是一類依賴于電化學勢轉(zhuǎn)運磷酸鹽的基因，不僅參與植物根系磷的吸收和轉(zhuǎn)運，還可能參與莖部組織的磷轉(zhuǎn)運，但其結(jié)構(gòu)上與PHT1 呈現(xiàn)出明顯的差異，如在擬南芥的AtPHT2;1基因與磷酸鹽親和力的測試中，發(fā)現(xiàn)其對磷酸鹽呈現(xiàn)較低的親和力[51]。水稻整個發(fā)育過程都受到OsPHT2;1基因表達的調(diào)控，該基因的表達還在一定程度上影響了PHT1基因的表達。低磷脅迫時，超表達OsPHT2;1基因的水稻其葉片可溶性磷含量較野生型平均提高61.7%，說明該基因在正調(diào)控磷素吸收和轉(zhuǎn)運過程中發(fā)揮重要的作用[52]。此外，小麥TaPHT2;1基因除對低磷脅迫積極響應外，還參與葉細胞內(nèi)磷的轉(zhuǎn)運過程[53]。

3.1.3PHT3亞家族與植物磷匱乏響應

3.突出重點。針對學生的錯別字現(xiàn)象，教師還應該重視學生的易錯部分。如將形近字、音近字等易錯字放在一起進行對比，讓學生發(fā)現(xiàn)易錯的部分，并加以理解記憶。還可以在課件上運用不同顏色對易錯的筆畫、部首進行標記，以增加學生對易錯部分的印象，減少錯別字的使用。教師還可通過故事或趣味的記憶方法，幫助學生記憶易錯部分

同PHT2 亞家族，PHT3 亞家族也屬于低親和力的磷轉(zhuǎn)運蛋白。序列分析發(fā)現(xiàn)，它們均擁有一個線粒體轉(zhuǎn)運家族特異結(jié)構(gòu)MCF（Mitochondrial carrier family,MCF）及數(shù)個疏水跨膜結(jié)構(gòu)，如擬南芥的AtPHT3;1、At-PHT3;2和AtPHT3;3基因。磷匱乏誘導分析表明AtPHT3;2與AtPHT3;3基因受磷匱乏誘導表達[54]。玉米上也分離出了該家族基因ZmPHT3;1，表達分析顯示該基因在玉米的兩個磷利用極端差異品種的葉片和根系組織中呈現(xiàn)為表達模式上的顯著差異。同時，在磷匱乏脅迫誘導下，該基因在耐低磷玉米自交系Mo17的葉片和根中表現(xiàn)出磷匱乏脅迫前期的一般反應和后期的特異性反應[55]。

3.1.4PHT4亞家族與植物磷匱乏響應

目前，對于PHT4 亞家族的成員研究開展較少，且所有的研究結(jié)果也僅限于擬南芥。如GUO 等[56]從擬南芥中分離出了6 個該家族成員，并命名為AtPHT4;1～AtPHT4;6。亞細胞定位分析表明，AtPHT4;1～At-PHT4;5在質(zhì)體中表達，而AtPHT4;6在高爾基體表達，但這6 個成員在根和葉中均有所表達。但磷匱乏脅迫誘導表達結(jié)果顯示，該類基因并不響應磷匱乏環(huán)境。

3.2 含SPX結(jié)構(gòu)基因與植物磷匱乏響應

SPX 結(jié)構(gòu)域因包含有一段酵母的SYG1（Suppressor of yeast gpal 1）、PHO81（Phosphatase 81）及人的XPR1（Xenotropic and polytropic retrovirus receptor 1）基因的共同序列，故命名為SPX，同時，含有該結(jié)構(gòu)域的基因可能通過G蛋白偶聯(lián)信號的轉(zhuǎn)導過程，參與生物體磷信號調(diào)控[57]。

3.2.1SPX亞家族與植物磷匱乏響應

SPX 結(jié)構(gòu)通常位于該家族基因的N 端一側(cè)，且大多數(shù)含SPX 結(jié)構(gòu)的基因均含有3個大小不等的SPX 亞域，僅有少數(shù)例外[58]。擬南芥中共有20 個含該結(jié)構(gòu)的基因，分屬4 個亞家族，即SPX、SPX-RING、SPX-MFS和SPX-EXS亞家族[57]。其中，SPX 亞族的4 個基因均受低磷脅迫誘導表達，AtSPX1～4可能通過SIZ1/PHR1介導的磷信號網(wǎng)絡，參與響應植物低磷脅迫的調(diào)控，且AtSPX1和AtSPX3均起正向調(diào)控的作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥AtSPX1可能通過直接或者間接的方式，調(diào)控AtACP5、AtRNS1和AtPAP2的表達，進而參與植物低磷脅迫的響應；而AtSPX3除了可以正向調(diào)控擬南芥對低磷脅迫的響應外，還有可能負向參與At-SPX1的調(diào)控表達，目的是維持自身體內(nèi)磷平衡[57]。ZHAO 等[59]基于水稻基因組，發(fā)現(xiàn)水稻中共有17 條含SPX 結(jié)構(gòu)的序列，也可被分為4 個亞族，其中SPX 亞族6 個，SPX-RING 亞族2 個，SPX-MFS 亞族6 個，SPXEXS亞族3 個。WANG 等[60]研究發(fā)現(xiàn)6個SPX 亞族基因均受低磷脅迫的誘導表達，OsSPX1基因在轉(zhuǎn)錄水平可對OsSPX2、OsSPX3和OsSPX5實施調(diào)控，同時，在磷充裕條件下，OsSPX3基因的過表達可顯著降低Os-SPX5的表達量。此外，OsSPX3還可負向參與PSI基因的調(diào)控，進而借助PSI/miR399介導的長距離途徑，對miR399的靶標蛋白基因PHO2的表達進行調(diào)節(jié)。然而，不同于其它OsSPXs基因，OsSPX4除了參與水稻低磷脅迫下的負向響應外，還可作為信號分子開關，參與磷饑餓信號核心轉(zhuǎn)錄因子OsPHR2和初級硝酸鹽信號轉(zhuǎn)導核心轉(zhuǎn)錄因子OsNLP3的核質(zhì)穿梭過程，進而維持水稻體內(nèi)氮/磷平衡，例如，隨著外源磷濃度的增加，osspx4突變體呈現(xiàn)典型的磷毒害，且在低磷狀況下，該蛋白的穩(wěn)定性明顯降低[61]。此外，在低磷條件下，該基因可直接與OsSDEL1和OsSDEL2這兩個泛素化連接酶基因互作，進而借助泛素化途徑被降解[62]。

3.2.2SPX-RNG亞家族與植物磷匱乏響應

3.2.3SPX-MFS亞家族與植物磷匱乏響應

SPX-MFS 亞家族是一類除N 端SPX 結(jié)構(gòu)外，C 端還含有一個特異的MFS 結(jié)構(gòu)的SPX基因。MFS 結(jié)構(gòu)是生物體內(nèi)的一種二級轉(zhuǎn)運單位，數(shù)量較為龐大且較多樣，主要包括共同轉(zhuǎn)運體、正向及反向轉(zhuǎn)運體3 類。研究表明，含MFS結(jié)構(gòu)的SPX基因可借助離子濃度梯度，參與體內(nèi)糖、核酸等水溶性物質(zhì)的轉(zhuǎn)運[64]。水稻中存在4 個該家族基因即OsSPX-MFS1～OsSPX-MFS4，其在水稻頂端組織中特異表達，推測其也可能以磷轉(zhuǎn)運子的方式，參與磷素響應調(diào)控過程[65]。LIU 等發(fā)現(xiàn)擬南芥中存在3 條具有該特征的序列，命名為AtPHT5;1～AtPHT5;3。功能研究表明，該成員均位于液泡膜上，且以磷轉(zhuǎn)運子的方式參與細胞質(zhì)磷平衡調(diào)控[66]。

3.2.4SPX-EXS亞家族與植物磷匱乏響應

不同于其他家族，SPX-EXS 亞家族是一類除N 端的SPX 結(jié)構(gòu)外，C端有且只有一個EXS 結(jié)構(gòu)的SPX基因。其EXS 結(jié)構(gòu)的形成也是由3 個不同的基因（ERD1、SYG1、XPR1）共同組成，因此，推測在一定程度上SPX-EXS 亞家族與SPX 亞家族在功能上存在著相似性。WANG 等[67]發(fā)現(xiàn)擬南芥中共含有11 個該家族成員，命名為AtPHO1、AtPHO1;H1～AtPHO1;H10，基于表達模式分析，發(fā)現(xiàn)其可能在將無機磷轉(zhuǎn)送至各個組織器官的維管束過程中以及將無機磷轉(zhuǎn)送至細胞中發(fā)揮重要作用。ARPAT等[68]研究發(fā)現(xiàn)，AtPHO1及其家族成員主要是作為無機磷轉(zhuǎn)運子參與體內(nèi)磷的運輸。SECCO等[69]發(fā)現(xiàn)在水稻中有3個AtPHO1的同源基因，被稱作OsPHO1;1～OsPHO1;3，并作為無機磷轉(zhuǎn)運子，專門負責無機磷從根部到頂端的運輸。與擬南芥不同在于：一個順式天然反義轉(zhuǎn)錄本位于水稻OsPHO1基因家族所有成員的5′端，且表達模式與擬南芥不同。同其他轉(zhuǎn)錄本相比，水稻OsPHO1;2基因的兩個轉(zhuǎn)錄本在根中都有著高的表達活性。功能缺失突變體分析，在磷脅迫條件下，OsPHO1;2對于無機磷轉(zhuǎn)運有著較高的活性，且受其順式天然反義轉(zhuǎn)錄本的調(diào)控[69]。對蒺藜苜蓿中7個MtPHO1成員MtPHO1.1～MtPHO1.7的研究發(fā)現(xiàn)，除根維管系統(tǒng)外，MtPHO1.1和MtPHO1.2在結(jié)瘤區(qū)廣泛表達。在煙草中的異位表達發(fā)現(xiàn)，二者都特異地介導煙草中磷的輸出。利用RNAi干擾結(jié)瘤植物中MtPHO1.1和MtPHO1.2基因的表達，可顯著降低該植株體內(nèi)的磷含量，但其33P 吸收速率卻與正常植株一樣，未受影響[70]。

3.3 轉(zhuǎn)錄因子與植物磷匱乏響應

基因作為引發(fā)生物體性狀產(chǎn)生和變化的基本單位，其表達往往受多個層次的嚴格控制，其中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控便是其中最為重要的一環(huán)。而生物體中，轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實現(xiàn)主要依賴于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的存在。有研究表明，植物的生長發(fā)育與逆境響應無不涉及轉(zhuǎn)錄因子的存在，已有大量與低磷誘導表達基因、相關的轉(zhuǎn)錄因子被分離，并在植物體中得到驗證。對這些轉(zhuǎn)錄因子進行歸類分析，發(fā)現(xiàn)它們分別屬于MYB、bZIP、WRKY、AP2/EREBP、NAC及CCAAT結(jié)合域6類。

3.3.1MYB 轉(zhuǎn)錄因子與植物磷匱乏響應

作為植物中廣為存在的轉(zhuǎn)錄因子之一，MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物磷脅迫中也扮演著至關重要的角色。研究表明，在擬南芥中MYB2 和MYB62 均可參與擬南芥的低磷響應，其中MYB2 作為一個激活子直接調(diào)控AtmiR399f的表達，進而促進擬南芥適應磷匱乏環(huán)境，而MYB62則主要通過赤霉素合成和信號途徑，負向參與低磷誘導調(diào)控[71-72]。此外，另有研究發(fā)現(xiàn)，在植物中還存在著一種含MYB-CC 結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，參與植物的磷匱乏響應調(diào)控，而該類轉(zhuǎn)錄因子最早于萊茵衣藻中被發(fā)現(xiàn)，即CrPSR1（Pi-starvation response 1）基因[73]。之后，在擬南芥、水稻等植物低磷脅迫響應中，也發(fā)現(xiàn)并獲得了類似的轉(zhuǎn)錄因子，如AtPHR1、OsPHR1、Os-PHR2、OsPHR3、OsPHR4、TaPHR1 等，并在響應低磷脅迫中起至關重要的作用，它們主要是通過結(jié)合一段不完整的回文序列P1BS，進而參與磷脅迫響應，同時，過表達這些基因的植株，其磷匱乏信號增強，體內(nèi)磷積累量增加[74-76]。如小麥TaPHR3-A1是一個與水稻OsPHR3同源的基因，TaPHR3-A1在水稻中的異位過表達，可顯著增加水稻的生物量、結(jié)粒數(shù)和花序分枝；同時，在敲除小麥該基因后，表現(xiàn)為苗期生長和根毛發(fā)育遲緩，且在成熟期的低磷和磷充裕狀態(tài)下，呈現(xiàn)顯著的產(chǎn)量相關效應。群體和重組自交系分析表明，位于該基因850 bp位置的堿基（A或G）是影響小麥結(jié)粒數(shù)的關鍵，當呈現(xiàn)A基因型時，小麥表現(xiàn)出更多的結(jié)粒數(shù)[77]。

3.3.2WRKY轉(zhuǎn)錄因子與植物磷匱乏響應

WRKY 是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，其可與一類具有w-box（含TTGAC序列）的蛋白特異識別結(jié)合，進而作用于植物生長發(fā)育及抗逆反應等過程。在對擬南芥低磷誘導過程中，也發(fā)現(xiàn)存在該類基因AtWRKY6，功能分析表明，其能夠與AtPHO1基因的啟動子的w-box相結(jié)合，進而參與擬南芥低磷脅迫的響應[78]。此外，在擬南芥中，AtWRKYa與AtWRKY42有著與AtWRKY6同樣的功能，均可與AtPHO1基因互作，進而參與磷素響應調(diào)控，且AtWRKYa還能與AtWRKY6 互作，進行調(diào)控。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中AtWRKYb、At-WRKYc及AtWRKY28 均能參與AtPHO1基因的表達調(diào)控，進而參與磷饑餓響應過程。除上述作用方式外，擬南芥的AtWRKYd、AtWRKYe、AtWRKY42 及AtWRKY45 等還可通過與磷轉(zhuǎn)運體Pht1;1或Pht1;4的互作方式，參與擬南芥低磷脅迫的誘導響應[79-80]。在水稻中，WRKY 同樣在低磷脅迫響應過程起著重要的作用，如OsWRKY1不論在根部還是葉部，均受低磷脅迫的誘導，功能分析表明OsWRKY1可能通過調(diào)控OsPHO1;2的方式參與響應水稻低磷脅迫[81]。此外，OsWRKY21和OsWRKY108也被闡明在水稻低磷響應中起關鍵作用，這2 個基因的過表達，可顯著增加低磷脅迫條件下水稻體內(nèi)磷的積累量，相反，在水稻OsWRKY21和Os-WRKY108雙突變體中，體內(nèi)磷積累量顯著減少[82]。

3.3.3其它轉(zhuǎn)錄因子與植物磷匱乏響應

除MYB和WRKY 外，還相繼發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子bZIP和bHLH 等在植物低磷脅迫響應過程中扮演著積極的作用。如大豆GmPTF1編碼一個bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，通過調(diào)控GmEXPB2的表達，進而參與低磷脅迫下大豆根形態(tài)建成[83]。近年來，一類植物特異表達的GARP-type 轉(zhuǎn)錄因子NIGT1基因被廣泛研究，還闡明了其在擬南芥、水稻等植物在低磷脅迫響應中起關鍵作用[84]。并采用正、反遺傳學的研究手段進行了證明。如過表達AtNIGT1.2可顯著增強低磷條件下，擬南芥的磷吸收能力。相反，在低磷條件下atnigt1.1和atnigt1.2雙突變體植株中，磷吸收能力會呈現(xiàn)明顯的減弱。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，AtNIGT1.2可直接靶向擬南芥磷轉(zhuǎn)運基因At-PHT1;1和AtPHT1;4的啟動子區(qū)的順式作用元件，進而上調(diào)該基因的表達，從而參與低磷脅迫下的磷吸收調(diào)控，且該調(diào)控途徑也在玉米中被證實[85]。此外，還發(fā)現(xiàn)除AtPHTs基因外，SPXs基因也受AtNIGT1家族成員的調(diào)控，進而通過NIGT1-SPX-PHR級聯(lián)途徑參與擬南芥低磷響應[86]。

3.4 microRNA與植物磷匱乏響應

內(nèi)源性單鏈小分子RNA 即microRNA（miRNA），其長度在21～24 nt，是由發(fā)夾結(jié)構(gòu)的前體剪切加工產(chǎn)生的，是一類能夠廣泛參與植物生長發(fā)育與逆境脅迫反應調(diào)控的基因，并作為信號分子參與植物耐低磷脅迫響應，其中miR393是第一個被發(fā)現(xiàn)在植物低磷脅迫響應中發(fā)揮作用的miRNA[87]。目前，已經(jīng)在19個物種中共鑒定到119 個miR393，其中水稻和擬南芥全基因組中分別有11 個和6 個編碼miR393的位點，可被低磷脅迫誘導表達。功能研究表明，其主要是通過與PHO2結(jié)合進而參與體內(nèi)磷素平衡的調(diào)控，該調(diào)控機制已在多數(shù)植物中得到證實，如擬南芥、水稻、小麥、玉米、大豆等[88]。除PHO2外，另有研究發(fā)現(xiàn)，miR393還可與含TPSI1和Mt4結(jié)構(gòu)的基因互作，進而調(diào)控植物低磷脅迫下的磷需求[89]；miR399d與磷轉(zhuǎn)運者McPHT1;4具有高親和力，蘋果在遭受磷匱乏后，其葉片中的轉(zhuǎn)錄因子基因McMYB10被強烈誘導[90]。此外，miR393還能作為長距離運輸?shù)男盘柗肿樱芍参锏捻g皮部傳輸?shù)礁?，并傳遞地上部通過低磷脅迫引起的低磷信號，調(diào)控根部靶基因的表達和磷的吸收轉(zhuǎn)運[91]。另一個被深入研究的是miR827，其靶基因所編碼的蛋白含有SPX 結(jié)構(gòu)，植物中含有SPX 結(jié)構(gòu)的蛋白能夠響應磷供給的變化，并在木質(zhì)部外，負責裝載磷[57]，后續(xù)的研究還發(fā)現(xiàn)：miR827調(diào)控其靶基因NLA（NItrogen limitation adaptation,NLA），是通過以氮依賴的方式，來維持植物體內(nèi)的磷平衡[63]，并推斷miR827/NLA有可能是氮/磷信號通路的鏈接節(jié)點。此外，來自大豆的基因Gm MIR319在煙草中穩(wěn)定過表達后，在低磷脅迫下，轉(zhuǎn)基因煙草根長明顯比對照長，同時，其地下部和地上部的鮮重也顯著高于對照[92]，說明GmMIR319能明顯提高煙草對低磷的適應性和耐受性。同時，另一個來自大豆編碼大豆miR168 的基因MIR168，在該基因穩(wěn)定過表達的煙草中，也有類似功能[93]，并認為可能參與了ABA 和JA 信號調(diào)控。

高通量測序技術(shù)的應用與測序成本的大幅度下降，基于全基因組測序鑒定植物低磷脅迫下差異表達miRNA 成為研究低磷脅迫下miRNA 調(diào)控研究的熱點之一，該工作最早在模式植物擬南芥[94]上進行，之后在大豆[95]、玉米[96]、水稻[97]、苜蓿[14]等重要物種上進行，但甘蔗上尚未有相關研究的報道。該技術(shù)具有規(guī)模化鑒定miRNA 的特點，如在苜蓿上，采用該方法就鑒定出264 個已知的和157 個新的差異表達的miRNAs，并證明了miR156、miR396、miR160a、miR160c和miR166對靶基因的作用位點與預測的相同，其所參與的調(diào)控包括根系的生長發(fā)育、有機酸的分泌、抗逆保護蛋白的形成、磷轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控以及氨基酸等基礎代謝的響應。對miRNA 在植物低磷脅迫中的響應尤其是miRNA 在提高磷的轉(zhuǎn)運和磷的再利用效率、參與抗氧化物生物合成以及對根系結(jié)構(gòu)改變的研究，潘曉陽等[98]進行了專題概述。最近關注的熱點是：miRNA 在缺乏多種養(yǎng)分（如氮、磷、鉀）條件下的作用機制[99]，并鑒定出與N、P、K 缺乏相關的miR169s、miR399s、miR5565c、miR5564和miR1432，且其中miR169、miR172和miR160的表達與其預測的靶基因的表達恰好相反，這些結(jié)果有助于闡明miRNA在磷缺乏和多種養(yǎng)分同時缺乏的作用。

4 展望

盡管土壤中磷含量高，但可被植物利用的有效磷含量低，因此，磷匱乏是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上普遍存在的問題。植物在磷饑餓狀態(tài)下，會通過根系統(tǒng)構(gòu)型、根分泌物和一系列生理生化變化，主動適應磷匱乏所致的脅迫，植物體內(nèi)一系列磷轉(zhuǎn)運蛋白基因、轉(zhuǎn)錄因子基因和microRNA 等的變化是其對磷匱乏逆境的響應在分子層面的反映。上述研究不僅為磷高效利用作物品種的篩選奠定了理論基礎與可選擇的評價指標，還為磷高效品種培育提供了遺傳改良的理論依據(jù)、基因資源與路徑選擇的線索。但植物體內(nèi)磷平衡過程中的機制是復雜的，未來還需要開展更多的研究，并利用多維組學等研究手段，進一步認識植物對磷脅迫的響應。