植物对磷元素的吸收与利用

［摘 要］ 磷是植物生长发育所必需的大量营养元素之一，不仅参与构成细胞的生物膜系统及许多重要分子，而且参与细胞内许多重要的生理生化过程。然而，土壤中可以被植物吸收利用的磷酸盐极为缺乏。基于此，从磷元素的吸收与转运机制、植物对低磷的响应、植物体内磷稳态的维持3个方面研究植物如何吸收与利用磷元素。这对于培育低磷条件下高效吸收和利用磷元素的作物品种尤为重要。

［关键词］ 磷；吸收；转运；磷稳态

［中图分类号］ S513；S565.1 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2022）14--5

0 引言

磷是植物所必需的第二大矿质营养元素，在植物的生长、发育和繁殖过程中发挥着重要作用，是植物生长的限制性营养元素。此外，磷还参与构成细胞的生物膜系统，是许多重要分子的组成成分，如构成核酸、磷脂高能分子及很多辅酶等；参与细胞内很多重要的生理生化过程，如参与细胞分裂、能量代谢、光合作用、酶促反应等，并通过磷酸化及去磷酸化作用参与酶活性调控和信号转导过程［1］。

植物可以通过根系吸收、利用土壤中处于游离状态的磷元素，以游离状态存在的磷元素包括一价和二价磷酸盐（H₂PO^4-和HPO^2-₄）。尽管土壤中存在大量的磷元素，然而绝大多数磷元素都是以不能直接被植物吸收利用的有机磷和难溶性的无机磷酸盐沉淀（如磷酸钙盐等）的形式存在，可以被植物吸收利用的磷酸盐极为缺乏［1］。土壤中可供植物利用的游离磷浓度平均为1 μmol/L或更低，很少高于10 μmol/L［2］，远远低于植物组织中的磷含量（5～20 mmol/L）。另外，可溶性磷酸盐在土壤中的迁移率很低，使得植物对游离磷的利用率极低。因此，自然生长在土壤中的植物往往都会受到磷元素缺乏的胁迫。

磷元素供应缺乏严重限制植物的生长，主要影响其开花和结实，表现为植株矮小、结实率低等［3］。因此，研究植物吸收、利用磷元素的机制，培育出能够在低磷条件下高效吸收和利用磷元素的作物显得尤为重要［4］。

1 植物对磷的吸收与转运机制

土壤中可被吸收利用的游离磷酸盐含量较低，而植物细胞内的有效磷浓度远高于外界环境中的无机磷浓度［5］，因此，植物吸收磷酸根离子进入细胞是逆浓度梯度的耗能过程。植物通过根系吸收外部土壤环境中的磷酸盐，一般通过跨膜的磷转运体蛋白，利用H+-ATP酶形成的跨膜质子浓度梯度协同转运游离的无机磷酸盐。植物体跨膜离子吸收过程遵循米氏方程，在低磷环境（微摩级）中的磷吸收通常是双曲线单相的，而在高磷环境（毫摩级）中则是双相的。这表明植物体在低磷和高磷环境中的磷吸收过程分别由高亲和性磷转运机制和低亲和性磷转运机制介导［5］。低亲和磷转运体多为组成型表达，而高亲和磷转运体受低磷胁迫诱导表达。当外部环境中磷元素缺乏时，植物体内诱导表达高亲和性磷转运体，提高植物在低磷环境下的磷吸收能力，适应低磷环境。

根据序列特异性及不同的亚细胞定位，植物体内的磷酸盐离子转运体蛋白（Phosphate Transporter，PHTs）共分为四类家族：PHT1、PHT2、PHT3、PHT4。通过对模式植物拟南芥的基因组分析发现，拟南芥基因组共编码9个高亲和磷酸盐转运体，属于PHT1家族，与酵母磷转运体Pho84有极高的同源性［6］。对植物进行低磷胁迫处理后，利用逆转录PCR（Reverse Transcription-PCR，RT-PCR）分析磷转运体的组织特异性，结果表明，大部分高亲和性磷转运体定位在细胞质膜上，大量表达在植物体根部，除了在根部受低磷诱导表达外，PHT家族磷转运体还在不同地上部分的组织细胞中有表达，说明其不仅在根系磷吸收过程中起作用，还参与了植物体内磷元素的再转移过程［7］。

PHT1家族成员之间有极高的氨基酸序列同源性，每个蛋白含有12个跨膜结构域，其中6个跨膜结构域含有大的亲水基团，其余结构域含有大量的溶质转运体拓扑结构［5］。在PHT1家族中，以PHT1;1和PHT1;4的转录水平最高，并且其转录水平在低磷条件下大幅升高。研究人员分别获得了这两个基因的敲除突变体，并进一步构建了双敲除突变体，用于进行表型观察及磷吸收能力、磷含量测定，发现这两个基因对于拟南芥在低磷和磷充足环境下吸收磷元素均发挥了主要作用［8］。

酵母中的磷转运蛋白从内质网到高尔基体的转运由COPII囊泡介导，SAR1 GTP酶经鸟嘌呤核苷酸交换因子SEC12激活后，可促进COPII囊泡的招募和对转运蛋白的选择，SEC12蛋白的表达受低磷诱导。研究人员发现，拟南芥体内存在一个结构上与酵母SEC12蛋白类似的PHF1（Phosphate Transporter Traffic Facilitator1）蛋白。PHF1定位于内质网，在植物细胞的分泌运输早期发挥作用，丧失该蛋白功能的拟南芥突变体内质网中积累了大量PHT1;1、PHT1;2和PHT1;4，而质膜上磷转运体的数目大大减少，导致突变体的磷吸收能力受阻，在正常培养条件下表现出缺磷表型。这体现了PHF1介导磷转运体从内质网到细胞质膜的转运过程［9］。在磷元素充足的条件下，水稻磷转运体PT8可被激酶CK2α3/β3磷酸化，抑制其向质膜转运；低磷胁迫可促进CK2α3/β3降解［10］。

在植物体内，除了PHT家族参与磷酸盐的吸收和转运外，还有一类膜蛋白参与了磷酸盐的体内转运过程。PHO1包含6个跨膜结构域，氨基端有一个长长的亲水结构域，含有3个SPX结构域，羧基端大部分是疏水的，含有1个EXS结构域［11］。在酵母体内，这两个结构域通常认为参与对磷酸盐的转运。GUS染色表明该基因定位于木质部薄壁细胞，介导磷从根的表皮、皮层向木质部转运。在PHO1的功能缺失突变体中，磷酸盐从根系转运到地上部分的过程严重受阻，导致植株地上部分表现出磷酸盐缺乏症状［11］。

2 植物对低磷的响应

2.1 根系形态的适应

植物通过调节根系结构适应低磷环境。在低磷环境下，植物根尖部分感受低磷，通过抑制分生组织活性抑制主根生长，诱导根尖静止中心（Quiescent Center）细胞分裂，促进根尖分生干细胞分化，促进侧根的形成及伸长，并提高侧根密度，增加根毛数量，从而增大根系与土壤之间的接触面积，提高根系的磷吸收能力［12］（见图1）。当幼苗处于磷充足条件下时，其根系结构如图1左侧所示，主根充分延伸，侧根生长不明显；当幼苗处于低磷胁迫时，其主根的伸长生长受到抑制，形成大量的侧根和根毛，从而增强根系与土壤的接触面积，使根系尽可能最大限度地吸收土壤中的磷酸盐。

在低磷胁迫条件下，玉米根系轻微地伸长，水稻主根也会伸长，而拟南芥主根伸长则会受到抑制［13］。根部PDR2（Phosphate Deficiency Response 2）编码P5类ATP酶，PDR2的功能缺失突变体在低磷胁迫条件下表现出由于分生组织活性受抑制而根部很短的表型。也有研究发现，拟南芥基因组内多价铜离子氧化酶LPR1与其同工酶LPR2协同作用于PDR2上游，低磷条件下这两个蛋白在根尖的活性能够显著降低根尖部分分生及伸长能力，共同抑制拟南芥主根伸长［14］。

2.2 生理生化响应

在低磷胁迫下，除了改变植物根系结构、提高根冠比，植物体还会表现出一系列生理生化响应，如花青素和淀粉积累，增加有机酸和酸性磷酸酶的分泌，提高磷转运体功能，通过磷脂代谢改变脂质成分等。植物通过促进根系表面有机酸的分泌，可以置换出土壤中被金属离子螯合的磷；通过向外分泌酸性磷酸酶，有利于促进降解土壤中的有机磷，从而提高根系周围游离磷酸盐的浓度。缺磷植株的地上部分会有花青素的积累，用于保护叶绿体，使其不会受到光抑制作用的影响［5］。

酸性磷酸酶可以催化有机磷酸酯类水解为游离的磷酸盐。研究最多的酸性磷酸酶是紫色酸性磷酸酶，因其在溶解状态下表现出与众不同的紫色或粉色而得名。紫色酸性磷酸酶属于金属磷酸酯酶家族，包括磷酸化蛋白磷酸酶及核酸外切酶，具有高度保守的催化位点。拟南芥基因组编码29个紫色酸性磷酸酶，低磷可以诱导部分酸性磷酸酶的从头合成。紫色酸性磷酸酶（PAP）为约55 kDa的同源二聚体，能水解多种含磷底物，不同PAP对含磷底物的作用具有选择性。其中，AtPAP9、AtPAP10和AtPAP13是组成型表达的，对含磷底物具有选择特异性，可在细胞内分解储存的或需要重新利用的含磷有机物，参与细胞内磷稳态的正常维持。AtPAP11和AtPAP12受低磷胁迫的诱导，可分泌到根际土壤中，降解土壤中的含磷底物。AtPAP26是主要的胞内酸性磷酸酶，当拟南芥细胞内缺磷时可降解回收液泡中的含磷化合物为细胞提供磷酸盐。一些转录因子如PHR1、WRKY75、ZAT6可以诱导低磷条件下紫色酸性磷酸酶的表达［15］。

3 植物体内磷稳态的维持

尽管土壤中的磷元素含量有很大波动，但植物细胞内的磷元素含量总是受到严格调控，保持在动态平衡的状态。为了实现这一目标，植物已经进化出一系列协调响应机制以节约、循环、再利用体内的磷元素，并增强从外界环境获取磷元素的能力［16］。

采用芯片技术对低磷处理后的拟南芥的转录组进行分析，发现在分子水平对低磷的调控需要成百上千个基因协同作用。对表达量有变化的低磷响应基因进行功能分类，发现这些基因参与许多代谢途径、离子转运、信号转导、转录调控及其他生长发育相关过程。目前，这个调控网络鉴定得到的成员包括转录因子、非编码RNA、SPX亚家族蛋白以及参与蛋白SUMO化、磷酸化、去磷酸化修饰的蛋白［17］。

3.1 转录因子

转录因子结合靶基因启动子区特定的DNA序列，通过改变RNA聚合酶结合至目的基因启动子区域的能力，调控目的基因的表达。拟南芥的PHR1是第一个鉴定得到的参与调控植物响应低磷的转录因子。研究人员利用低磷诱导报告基因AtIPS1：：GUS筛选获得了PHR1 （Phosphate Responsive Less 1）突变体并克隆了PHR1基因，该突变体表现为体内磷含量降低、花青素积累减少，低磷响应基因受低磷诱导的程度明显降低。PHR1属于MYB-CC转录因子家族，分析发现其与衣藻中编码磷相关转录因子的PSR1基因同源；构建连接GFP材料观察PHR1亚细胞定位，发现PHR1定位于细胞核中，该蛋白能以二聚体的形式特异结合在低磷诱导表达基因的启动子区，其识别的顺式作用元件为GNATATNC（P1BS），从而诱导这些基因在低磷胁迫下的表达，以适应低磷环境［18］。

利用芯片技术分析发现，PHR1及与其同源性极高的PHL1共同调控着拟南芥基因组中绝大多数受低磷诱导或抑制表达基因的转录水平。在PHR1、PHL1双敲除突变体中，野生型中受低磷诱导表达4倍以上的基因有将近90%在低磷下的表达受到2倍以上的抑制。PHR1及PHL1作为响应低磷的中心调控因子，调控植物响应低磷环境［19］。

研究人员通常认为拟南芥体内的PHR1为组成型表达。有研究发现，光和乙烯共同调控PHR1的表达，光可以诱导PHR1的表达，光信号系统的FHY3、FAR1正调控PHR1的表达，HY5负调控PHR1的表达［20］。

在低磷条件下，大量转录因子协同作用共同响应低磷胁迫。利用芯片技术分析发现，MYB家族转录因子MYB62的表达受低磷诱导上调，WRKY家族的转录因子WRKY6、WRKY42、WRKY45、WRKY75的转录水平也受到低磷的诱导，锌指蛋白ZAT6的表达在低磷条件下也有上调，负调控PSI基因的表达维持磷稳态［17］。MYB62是R2R3类MYB家族转录因子，低磷胁迫下其特异性在叶片中被诱导表达，其定位在细胞核中，MYB62的过表达材料低磷处理后体内PSI基因的转录水平受到抑制，并大量积累花青素，表明MYB62通过负调控拟南芥在低磷胁迫下的响应维持体内磷稳态。WRKY6在磷酸盐充足的条件下抑制PHO1的转录，而在磷缺乏时被降解［21］。WRKY42通过抑制PHO1的表达抑制磷从根部向地上部分的转运，正调控PHT1;1促进磷的吸收来维持拟南芥体内磷的稳态，磷缺乏时，WRKY42通过26S蛋白酶体途径被降解［22］。WRKY45可结合PHT1;1的启动子区，通过在低磷下增强PHT1;1的转录促进磷的吸收。以上这些转录因子分别在磷酸盐缺乏或充足条件下发挥作用，共同维持植物体内的磷稳态。