2021 年 10 月 12 日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員為通訊作者，在 Cell 上發(fā)表了題為“A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis”的封面論文。文章首次報(bào)道了水稻-叢枝菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)植物直接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑與通過(guò)叢枝菌根共生的間接營(yíng)養(yǎng)吸收途徑均受到磷信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)控，回答了菌根共生領(lǐng)域“自我調(diào)節(jié)”這一困擾領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。

分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后石進(jìn)彩為第一作者，歐易生物肖云平也參與了此項(xiàng)研究。文章中水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫(kù)篩選服務(wù)由歐易生物提供。

?研究背景?

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的養(yǎng)分之一，但土壤中的磷元素大多數(shù)以植物不可吸收的形式存在。為了提高對(duì)磷等營(yíng)養(yǎng)的獲取，陸生植物主要有兩種途徑獲取營(yíng)養(yǎng)：1）通過(guò)根系直接從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)；2）與其菌根真菌共生，間接獲取營(yíng)養(yǎng)。

植物-叢枝菌根共生的建立，與植物由水生向陸生進(jìn)化發(fā)生在同一時(shí)期，是植物適應(yīng)陸地環(huán)境關(guān)鍵事件之一。叢枝菌根共生是自然界最普遍的一種共生，是植物從環(huán)境中高效獲取營(yíng)養(yǎng)的重要途徑。

植物根據(jù)自身的磷營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控其與叢枝菌根真菌之間的共生，研究人員稱(chēng)為菌根共生的“自我調(diào)節(jié)”（”self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis），但其調(diào)節(jié)機(jī)制未知。

?研究?jī)?nèi)容?

本研究利用水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫(kù)篩選，繪制了水稻轉(zhuǎn)錄因子和菌根共生相關(guān)基因之間的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)受到保守的磷感應(yīng)途徑統(tǒng)一控制，以磷酸鹽饑餓響應(yīng)因子（PHR）為中心。PHRs 是菌根共生所必需的，通過(guò) P1BS 順式作用元件調(diào)控菌根共生相關(guān)基因表達(dá)。高磷條件下，SPX蛋白抑制 OsPHR2 介導(dǎo)的對(duì)菌根共生相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控，進(jìn)而抑制菌根共生。過(guò)表達(dá) OsPHR2 可以部分拮抗磷介導(dǎo)的對(duì)菌根共生的抑制作用。本研究發(fā)現(xiàn)，植物直接營(yíng)養(yǎng)吸收和通過(guò)菌根共生的間接營(yíng)養(yǎng)吸收，都受到相同的磷信號(hào)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)控。本研究將有助于高效用磷植株的培育。

?研究結(jié)果?

1.?水稻-叢枝菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

為了系統(tǒng)地揭示調(diào)控叢枝菌根共生的轉(zhuǎn)錄因子，研究者以 51 個(gè)水稻基因的啟動(dòng)子為誘餌，利用包含 1570 個(gè)水稻全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄因子的文庫(kù)進(jìn)行了酵母單雜交篩選。這 51 個(gè)基因主要是已報(bào)道的參與或調(diào)節(jié)菌根共生的基因。

文庫(kù)篩選發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由 266 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子和 47 個(gè)啟動(dòng)子高度連接的網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)之為“叢枝菌根共生酵母單雜交網(wǎng)絡(luò)（YAM）”。平均每個(gè)啟動(dòng)子可以和4 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子互作。266 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子分屬至少11 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族。72%（192 個(gè)）的 YAM 轉(zhuǎn)錄因子在根中存在表達(dá)（FPKM > 1）。與非定殖根相比，19 個(gè) YAM 轉(zhuǎn)錄因子在叢枝菌根真菌定殖的根中表達(dá)上調(diào)。

?圖片說(shuō)明：水稻-叢枝菌根共生調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

2.?YAM?節(jié)點(diǎn)在菌根共生中的作用

接下來(lái)利用RNAi植株?和水稻突變系驗(yàn)證上述 YAM 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

OsEIL1/MHZ6 和 OsEIL2 是乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需的，對(duì)應(yīng)的突變體對(duì)乙烯不敏感。結(jié)果顯示，與野生型相比，OsEIL2 RNAi?植株中叢枝菌根真菌的定殖率更高（圖 C）。在 YAM 中，OsEIL2 可以調(diào)控菌根共生特異性 H+-ATPase?OsHA1?的表達(dá)，因此推測(cè)乙烯信號(hào)可能會(huì)抑制菌根共生。

OsARF12 和 OsARF25 是磷酸鹽穩(wěn)態(tài)負(fù)調(diào)控因子，是水稻根系發(fā)育所必需的。與野生型相比，Osarf12/25?雙突變體菌根共生率顯著降低（圖 D）。在 YAM 中，OsARF12/25 可以與?OsHA1?等基因啟動(dòng)子結(jié)合，但在?Osarf12/25?雙突變體中?OsHA1?高表達(dá)，其機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

同樣，敲除 YAM?中的?OsRAM1、OsWRI5a/b?也減少了菌根共生（圖 E-F）。MYB 型轉(zhuǎn)錄因子 OsMYBc 可以直接靶向鉀轉(zhuǎn)運(yùn)基因?OsHKT1?調(diào)控耐鹽性，與野生型相比，OSmybc?突變體菌根共生水平也下降（圖 G），表明耐鹽性和菌根共生可能受到共同調(diào)控。

?圖片說(shuō)明：調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)錄因子的功能驗(yàn)證

3.?PHR?為中心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制叢枝菌根共生

酵母單雜交結(jié)果顯示，磷酸鹽饑餓響應(yīng)因子 OsPHR1/2/3 可以激活 51 個(gè)目標(biāo)啟動(dòng)子中的 25 個(gè)，包括?OsRAM1、OsRAD1、OsWRI5A?等。OsRAM1、OsRAD1、OsWRI5A?自身又可以調(diào)控許多菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)（圖 A）。

對(duì)叢枝菌根共生響應(yīng)基因啟動(dòng)子序列預(yù)測(cè)分析顯示，有 78 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子被富集，87%?的菌根共生響應(yīng)基因受到 OsPHR1/2/3 的調(diào)控，其中 42%?受到 OsPHR1/2/3 的直接調(diào)控。因此推測(cè) OsPHR1/2/3 可能是菌根共生調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)控樞紐（圖 A-B）。

EMSA?和熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)證實(shí)，OsPHR12可以直接結(jié)合并激活?OsRAM1、OsWRI5A、OsPT11、OsAMT3?啟動(dòng)子序列（圖 C-F），并且這種結(jié)合依賴(lài)于啟動(dòng)子中的 P1BS 元件（圖 G）。

圖片說(shuō)明：OsPHR2 通過(guò) P1BS?元件直接調(diào)控菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)

OsPHR1/2/3?在菌根共生的根中表達(dá)量變化不顯著，但?OsPHR2?在叢枝菌根真菌定殖的細(xì)胞中表現(xiàn)出高表達(dá)。與對(duì)照相比，Osphr2-1?突變體根中菌根真菌定殖減少（圖 A-D），重建?OsPHR2?表達(dá)后突變體中菌根真菌定殖率與對(duì)照相當(dāng)。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序顯示，OsPHR2?功能缺失改變了 63%?菌根共生相關(guān)基因的表達(dá)。反之，過(guò)表達(dá)?OsPHR1?和?OsPHR2?可以引起菌根共生的顯著增加（圖 E-G）。

以上結(jié)果表明，以 PHR 為中心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)通過(guò) PIBS 元件依賴(lài)的菌根特異性基因表達(dá)控制菌根共生。

圖片說(shuō)明：OsPHR2 是叢枝菌根共生所必需的

4.?磷酸鹽通過(guò)以 PHR?為中心的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控菌根共生

植物的磷營(yíng)養(yǎng)狀況與菌根共生程度呈負(fù)相關(guān)。經(jīng)一定濃度的 Pi 處理，與對(duì)照相比，OsPHR2?過(guò)表達(dá)植株叢枝菌根共生下降程度不明顯（上圖 E-G）。表明過(guò)表達(dá)?OsPHR2?可以對(duì)磷酸鹽介導(dǎo)的菌根共生抑制作用產(chǎn)生部分拮抗。

SPX 蛋白參與磷酸鹽穩(wěn)態(tài)維持，在高磷條件下可以與 OsPHR2 結(jié)合以抑制 OsPHR2 對(duì) P1BS 元件的結(jié)合。熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)證實(shí)，OsSPX1 可以特異性抑制 OsPHR2 介導(dǎo)的 4 個(gè)菌根共生相關(guān)基因啟動(dòng)子的激活（圖 A-B）。OsSPX1、OsSPX2?過(guò)表達(dá)可以顯著抑制叢枝菌根共生（圖 C）。與對(duì)照相比，osspx1/2/3/5?四突變體中叢枝菌根共生率顯著上升。

以上結(jié)果表明，SPX 蛋白通過(guò) PHR 為中心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)負(fù)向調(diào)控菌根共生。

圖片說(shuō)明：SPX 蛋白通過(guò) OsPHR2 負(fù)向調(diào)控叢枝菌根共生

?研究結(jié)論?

本研究首次報(bào)道了水稻-叢枝菌根共生的“自我調(diào)控”網(wǎng)絡(luò)：

OsPHRs 通過(guò)與?P1BS 元件結(jié)合直接調(diào)控菌根共生相關(guān)基因?OsRAM1、OsPT11、OsWRI5A、OsAMT3;1?的表達(dá)。SPX 蛋白?(磷酸鹽傳感器) 在高磷酸鹽條件下與 OsPHR2 結(jié)合，抑制其與菌根共生相關(guān)基因啟動(dòng)子 P1BS 元件結(jié)合，從而降低了這些基因的表達(dá)，進(jìn)而抑制菌根共生。PHR 過(guò)量表達(dá)植株和 SPX 缺失突變體的菌根共生對(duì)高磷處理不敏感，表明高磷通過(guò) PHR-SPX 模塊抑制菌根共生。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030