磷是構成生物體的基本組分，也是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素。不過，磷元素不易吸收，它主要以有機磷或難溶性鹽的形式存在于土壤中。植物動足了腦筋，想出兩招來使自己茁壯成長：簡單的是直接吸收；另一種則是通過與叢枝菌根真菌共生，從外界環(huán)境中獲取營養(yǎng)的“曲線”途徑。

過去50多年的研究發(fā)現(xiàn)：植物根據(jù)自身的磷營養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控叢枝菌根共生的效率，被稱為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”，但其調(diào)節(jié)機制一直未知。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團隊首次繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調(diào)控網(wǎng)絡，揭示了植物的直接磷吸收途徑和菌根共生磷吸收途徑都是受植物磷響應網(wǎng)絡的統(tǒng)一控制。相關成果以封面論文的形式于北京時間昨天深夜發(fā)表在國際頂尖學術期刊《細胞》（Cell）上。

古老關系的新發(fā)現(xiàn)

要知道，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(fā)生在同一時期，是自然界中最古老的共生關系，也是植物適應陸地環(huán)境關鍵事件之一。王二濤介紹，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；同時，叢枝菌根共生能幫助植物抵抗病原菌和其他非生物逆境。

前期研究發(fā)現(xiàn)，PHRs是調(diào)控植物磷元素直接吸收途徑的核心轉錄因子。而磷元素感受器SPX通過抑制PHR的活性，維持植物體內(nèi)的磷元素穩(wěn)態(tài)。

在這項研究中，王二濤領銜的團隊使用水稻中菌根共生相關基因的啟動子作誘餌，篩選水稻轉錄因子文庫，繪制了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調(diào)控網(wǎng)絡，并發(fā)現(xiàn)磷響應轉錄因子PHR處于網(wǎng)絡的核心位置。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，PHR通過結合在菌根共生相關基因的調(diào)控區(qū)域，進而控制叢枝菌根共生。有意思的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)缺失磷感受器SPX后，植物菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”失靈了。

“PHR最早是西班牙科學家在2001年發(fā)現(xiàn)的，但他們當時用的模式植物是擬南芥，而擬南芥是極少數(shù)不形成菌根共生的植物?！蓖醵硎?，“我們此次研究得出，PHR既管‘內(nèi)政’——磷元素的直接吸收，也‘主導外事’——控制叢枝菌根共生，可謂‘內(nèi)外兼修’?！?/p>

“大滿貫”研究員瞄準“最前沿”

“CNS”，在神經(jīng)生物學中指的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)。而在每一位科研人心中，CNS有著另一重含義：《細胞》《自然》《科學》這三本國際頂尖期刊。雖然科研的目的并非發(fā)論文，但能在國際學術舞臺發(fā)出中國科技聲音，也是大家努力的方向。

自2013年留學歸國起，王二濤在植物與微生物互作領域屢有建樹。2017年，王二濤研究組發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)元素的吸收，這項工作發(fā)表在了《科學》上；去年底，《自然》又報導了他的新突破：王二濤研究組發(fā)現(xiàn)了豆科植物皮層細胞獲得SHR-SCR干細胞分子模塊是根瘤發(fā)育的關鍵，從而回答了“為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮”的問題。加上這回在《細胞》封面的成果，王二濤實現(xiàn)了“大滿貫”。

國際同行評價說，這項研究成果具有原創(chuàng)性且非常有趣，是菌根共生領域一次巨大的概念突破，為這一領域開辟了新的研究方向。

王二濤說，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了獲取糧食的豐收，施加了大量的化肥。這嚴重污染生態(tài)環(huán)境，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。“未來，我們可以通過提高PHR基因的表達，有望達到增加植物直接吸收磷元素和間接通過叢枝根菌共生吸收磷元素的目的，降低農(nóng)業(yè)磷肥的施用?！?/p>

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