如何讓水稻更好吸收營養？這項研究成果揭示菌根共生調節機制

水稻和真菌，看似不相干的生物卻在自然界實現共生，如今中國科學家更是破解了共生機制背后的轉錄調控網絡，可能讓這一機制幫助水稻更好地吸收營養。

機制說明圖 本文圖片均為受訪者供圖

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。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員王二濤介紹，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。第二種則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。

研究員工作照

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。

盡管過去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”，但其調節機制依舊未知。

2021年10月12日，分子植物科學卓越創新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。該研究首次繪制了水稻-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）和菌根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。

Cell論文封面

PHR (Phosphate Starvation Response)是調控植物根途徑磷元素吸收的核心轉錄因子。在低磷條件下，PHR能夠結合在低磷響應基因啟動子的P1BS元件上，激活低磷響應基因的表達，增加植物磷元素的吸收。植物體的磷元素感受器SPX通過與PHRs之間的互作，抑制植物的低磷響應。

在本研究中，研究團隊以水稻菌根共生相關基因的轉錄調控區域為誘餌，篩選水稻轉錄因子文庫，首次繪制了叢枝菌根共生的轉錄調控網絡，鑒定到多個參與調控叢枝菌根共生的轉錄因子，其中轉錄因子PHRs處于該調控網絡的核心。進一步研究發現，PHRs通過P1BS元件直接調控菌根共生相關基因的表達，從而正向調控水稻-叢枝菌根共生。

該研究還發現PHR2過量表達植株和磷感受器SPX的突變體都表現出對高磷處理抑制菌根共生的不敏感性，表明高磷是通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。

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。通過育種提高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。