JIPB | 中国农业科学院资划所易可可/阮文渊团队揭示植物防止过度响应低磷胁迫的刹车机制

以下文章来源于JIPB ，作者JIPB

在面对外界环境变化及逆境胁迫时，适度的分子生理响应可以帮助植物更好适应胁迫环境，从而提高其在自然环境中的生存几率；过度的分子生理响应则会抑制植物的生长和繁殖，甚至导致死亡。因此，植物需要有效地维持胁迫环境响应和生长发育之间的平衡。磷（Phosphorus）是植物生长中必不可少的营养元素，维持植物体内磷的平衡是促进作物生长、实现高产的关键。然而，由于磷易被土壤固定难以被作物及时有效吸收利用，导致多数农田土壤中有效磷含量较低，不能满足作物的生长需求。为了适应土壤磷养分状况，植物进化出了多种响应机制来平衡低磷胁迫应答与生长发育，但在植物遭受磷饥饿胁迫时其体内是否存在防止过度响应低磷胁迫的保护机制尚不清楚。

JIPB近日在线发表了中国农业科学院农业资源与农业区划研究所易可可/阮文渊团队题为“NIGT1 represses plant growth and mitigates phosphate starvation signaling to balance the growth response tradeoff in rice”的研究论文（https://doi.org/10.1111/jipb.1‍3496）。该研究发现当水稻处于低磷胁迫环境时，磷饥饿响应核心转录调控因子OsPHRs（Phosphate starvation response proteins）会激活GARP型转录抑制因子OsNIGT1（Nitrate-inducible GARP-type transcriptional repressor 1）来负反馈调节磷饥饿胁迫响应过程。在磷缺乏条件下，OsNIGT1直接与磷饥饿响应Marker基因OsIPS1、OsmiR827和OsSPX2的启动子结合，以减轻磷饥饿胁迫响应。此外，OsNIGT1还能直接抑制液泡磷外排转运蛋白编码基因OsVPE1/2的表达，从而参与调节植物体内的磷平衡。进一步研究发现，OsNIGT1还能通过抑制生长相关调控基因的表达（例如：油菜素内酯信号转导主调控因子OsBZR1、细胞分裂调控因子OsCYCB1和DNA复制调控因子OsPSF3），从而调控水稻地上部的生长。当OsNIGT1功能缺失时，早期磷饥饿胁迫的响应加速，同时低磷胁迫抑制生长的效应得到一定缓解；相反，当OsNIGT1增强表达时，即使在磷养分供应充足时也表现出与低磷胁迫条件下类似的生长表型。该研究说明OsNIGT1在协调植物生长和磷饥饿信号传导中发挥着重要作用，同时也说明OsNIGT1的抑制特性可以帮助植物减弱磷饥饿响应程度，并在植物遭受长期磷饥饿胁迫时起到安全刹车的作用。

此外，该研究结合团队成员及合作者以往和当前的研究证据，提出植物体内有两种磷饥饿响应制动系统分别在磷充足和磷匮乏的条件下发挥作用。一个制动系统由SPXs组成，SPXs可以与PHRs直接相互作用，抑制PHRs的DNA结合活性，从而抑制磷充足条件下的磷饥饿响应程度 (Wang et al., 2014; Lv et al.，2014；Zhong et al., 2018; Ruan et al., 2019)。另一个制动系统由OsNIGT1组成，在磷匮乏条件下发挥作用，其通过直接与OsPHRs的共同特异性基因位点结合，以避免对磷饥饿胁迫的过度响应。比较这两种磷饥饿响应制动系统的差别发现，SPXs是全局性的，而OsNIGT1是精确制导的。在磷充足条件下，植物对磷的需求可以得到充分满足，因此植物利用SPXs来全面抑制磷饥饿响应过程。在磷素不足时，利用OsNIGT1来选择性的抑制部分磷饥饿响应过程；这是一种非常聪明的策略，因为在磷缺乏条件下，并非所有的磷饥饿响应过程都需要持续和高强度的激活。因此，这两个磷饥饿响应制动系统协调控制磷饥饿响应，以有效帮助植物适应外界不同的磷养分变化。

中国农业科学院作物科学研究所（作科所）博士生张宇昕、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所（资划所）硕士生张倩倩及北京林业大学生物科学与技术学院郭美娜为共同第一作者，资划所易可可研究员和阮文渊副研究员为共同通讯作者。作科所李立会研究员和资划所吴庆钰研究员也参与了相关研究工作。该研究获得了国家自然科学基金优青项目和面上项目的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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