中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心雷明光團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，一個控制根系發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子SHR通過控制木質(zhì)部磷裝載關(guān)鍵因子PHO1的蛋白穩(wěn)定性，調(diào)控磷在根冠間的分配。

北京時間2022年9月1日23時，Nature Plants雜志在線發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，不僅是多種生物分子的基本結(jié)構(gòu)成分，而且參與了植物光合作用、呼吸作用、能量代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要的生命過程。但是大部分土壤中可以被植物直接吸收利用的磷濃度很低，有效磷的缺乏是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素之一。

模式植物擬南芥中，磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHO1特異性地在根成熟區(qū)木質(zhì)部附近的中柱鞘細(xì)胞中表達(dá)，是調(diào)控根中磷裝載的關(guān)鍵因子。以前的研究發(fā)現(xiàn)，低磷增強(qiáng)了PHO1基因的轉(zhuǎn)錄，并且通過降解一個E2泛素結(jié)合酶PHO2，分別在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平增加PHO1的水平。這些分子機(jī)制研究的結(jié)果提示，低磷會增加PHO1蛋白，促進(jìn)磷從根往地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。但是，在營養(yǎng)缺乏條件下，植物需要將更多的資源分配給根部，促進(jìn)根系的生長，以獲取更多的營養(yǎng)。這似乎和已發(fā)現(xiàn)的分子機(jī)制存在矛盾。

SHORT ROOT （SHR）是調(diào)控根皮層/內(nèi)皮層干細(xì)胞的不對稱分裂，并維持根頂端分生組織活性的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。在雷明光研究員的指導(dǎo)下，助理研究員肖薪龍和博士研究生張潔瓊等發(fā)現(xiàn)，SHR部分缺失的突變體中，磷從根往地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)被抑制。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫抑制了根成熟區(qū)SHR的翻譯，穩(wěn)定了下游的轉(zhuǎn)錄因子PHB。他們還發(fā)現(xiàn)PHB可以直接結(jié)合E2泛素結(jié)合酶PHO2的啟動子，激活PHO2的表達(dá)，從而降低了PHO1的蛋白穩(wěn)定性。PHO1的降解抑制了磷從根往地上部的運(yùn)輸，從而將更多的磷留在根部。與此一致的是，低磷條件下，生物量和磷含量的根冠比都顯著增加，有限的磷被優(yōu)先分配給根，促進(jìn)了根系的生長。因此，該研究揭示了在營養(yǎng)缺乏條件下，植物如何抑制磷在木質(zhì)部的裝載，將磷優(yōu)先分配給根系的新機(jī)制。

該研究得到了上海市青年英才揚(yáng)帆計劃和中國科學(xué)院經(jīng)費(fèi)的支持。

雷明光團(tuán)隊近年來在磷信號通路研究中取得了一系列進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)多磷酸肌醇InsP8是植物細(xì)胞內(nèi)的磷信號分子（Dong et al., Molecular Plant, 2019），并和上海師范大學(xué)的邢維滿教授合作解析了磷信號分子的感受機(jī)制（Zhou et al., Nature Communications, 2021）。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01231-w