Forestry Res | 福建农林大学联合六家单位综述木本植物磷素吸收、转运和信号转导的研究进展与展望
学术
三农
2024-05-24 10:00
江苏
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磷（Phosphorus, P）是植物中最重要的矿质元素之一，也是肥料三要素之一。磷是核酸、生物膜和ATP等生物分子的组分，对维持植物光合作用、呼吸作用、酶促反应和正常生长发育起着至关重要的作用。植物主要以无机磷（Pi）形式从土壤中获取磷素。但在酸性土壤中，无机磷（Pi）普遍匮乏，导致缺磷成为森林生态系统中限制植物生长的主要环境因素之一。在长期低磷适应过程中，植物进化出一套精细的磷吸收、转运和低磷信号转导体系，进而调节和提升植物低磷适应性。然而，现有综述多以总结模式植物或农作物低磷研究为主，有关木本植物低磷研究及对木本植物与模式植物低磷研究进行对比的综述较少。2024年5月，Forestry Research 在线发表了福建农林大学海峡联合研究院马留银课题组联合中国林业科学院热带林业研究所陆钊华课题组、北京林业大学郭美娜副教授共同撰写的题为Phosphorus uptake, transport, and signaling in woody and model plants 的综述论文。该论文首先对比了低磷（Pi deficiency）影响以杨树为代表的木本植物、模式植物拟南芥和农作物水稻生长发育的异同点。低磷对于杨树、拟南芥和水稻的地上部分影响较为一致，均表现出了抑制叶片净光合速率、减缓叶片发育和植株高度等表型。但与模式植物相比，低磷影响木本植物地上部分发育仍有较多空白：例如, 尚未开展低磷条件下通过叶或枝夹角影响木本植物产量；以及筛选低磷条件下既能调控植株高度又能调控胸径的关键基因；也未开展低磷影响木材形成与季节生长等林木重要性状的相关研究。在低磷影响根构型方面，杨树根系的低磷表型更接近于水稻，表现为低磷促进不定根产生和伸长，均趋向于在顶层土壤觅磷。此外，木本植物也有一些独特的根构型形态出现，例如，在澳大利亚和南非，一些山龙眼科（Proteaceae）的灌木和乔木可以形成排根（Cluster root），以适应极端低磷环境。图1 低磷影响杨树、拟南芥和水稻生长发育的表型异同对比
该论文接着详细总结了木本植物磷吸收和转运方面的相关研究进展，主要集中于各木本植物中现已报道的与低磷响应相关的磷转运蛋白编码基因PHT1及其表达特征；也对菌根共生（mycorrhizal symbiosis）如AM，ECM和ERM等促进木本植物低磷适应性的研究进行概述，并对杨柳科、桉树等木本植物中AM与ECM并存的现象与拟南芥和水稻中仅存在AM的现象进行了对比。该论文也基于拟南芥和水稻研究结果，对磷吸收和转运的多数研究如细胞内Pi储存与分布、Pi的源-库再分配、Pi的长距离运输及Pi在果实与叶片中的运输等方面进行了概述并对后续在木本植物中开展相关研究进行了展望。该论文也提出了在木本植物中研究磷吸收与转运蛋白的三个研究策略: （1）回补酵母或模式植物转运突变体；（2） 离子组与遗传学联合解析木本植物转运蛋白突变对离子组内部各离子动态变化的影响；（3）无机磷染色实验（IOSA法）半定量木本植物转运蛋白突变对离子分布的影响。
该论文接着以模式植物研究为骨架，系统综述了低磷介导的局部低磷信号转导途径（以STOP1为中心的调控信号）和系统低磷信号转导途径（以InsP-SPX-PHR为中心的调控信号），也详细解析了磷与氮（N）和铁（Fe）元素的互作网络，并对后续在木本植物中开展上述相关研究进行了展望。最后，该论文建议了今后木本植物中低磷研究的几个潜在研究方向：（1）磷信号如何在木材形成或季节性生长等木本植物重要性状的形成过程中发挥作用；（2）构建木本植物磷信号调控网络，筛选木本植物磷高效关键标记基因。（3）使用这些关键标记基因筛选磷高效优良种质资源；利用基因编辑等技术进行木本植物磷高效生物育种。（4）探索木本特异磷信号组分或者存在全新信号通路的可能性。综上所述，该论文揭示了木本植物中也存在一套感受外界磷浓度变化信号并增强低磷耐受能力的吸收、转运和信号转导体系，使得木本植物也能适应不断变化的环境磷浓度。然而，多数木本植物中的关键转运蛋白和信号组分尚未被发现。因此，亟待更多研究人员加入木本植物低磷研究，为培育减肥增效、磷高效的木本植物生物育种提供前期研究基础。福建农林大学海峡联合研究院马留银、中国林业科学院热带林业研究所陆钊华、北京林业大学生物科学与技术学院郭美娜为论文通讯作者。福建农林大学海峡联合研究院研究生房兴燕、中国林业科学院热带林业研究所杨德明、福建农林大学海峡联合研究院研究生邓力川为论文第一作者。福建农林大学林学院马祥庆、福建农林大学海峡联合研究院陈志长、华中农业大学园艺林学学院周靖靖、福建省林业科学研究院林智勇、广东生态工程职业学院张娅欣也参与了本论文的撰写与修改工作。本论文还得到福建农林大学海峡联合研究院刘岩林、李欣欣和林俊城的建议与指正。本论文得到十四五国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和福建农林大学十四五林学高峰学科建设等项目的资助。团队介绍：
福建农林大学海峡联合研究院基因组学研究中心马留银课题组主要以我国南方优势树种桉树、毛竹和杉木为研究对象，开展林木养分高效生物育种方面的研究工作。主要研究方向如下：
（1）林木营养信号转导
（2）林木养分高效关键基因挖掘及生物育种
（3）林木mRNA 3’UTR的形成机理及其在养分高效改良中的应用。
已在PNAS、New Phytologist、Plant Physiology、Plant Journal等国内外学术期刊发表论文二十余篇，共同主编毛竹英文专著1部，兼任中国林学会青年工作委员会委员、Forestry Research期刊首届青年编委，受邀担任New Phytologist、Plant Journal等期刊审稿人。
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马留银课题组部分成员合影
Forestry Research 是一本专注于林学领域的期刊，一本全新的国际化的、开放获取的、具有严格的编辑筛选和同行评审流程的期刊。主要发表与森林科学和多个相关领域的研究论文、方法、综述和观点；涵盖范围从分子到种群，再到生态系统。期刊主编由美国密歇根理工大学林业资源与环境学院卫海荣教授担任，北京林业大学钮世辉教授担任期刊执行主编。目前期刊已被Scopus、DOAJ、CABI等大型数据库收录。
期刊官网：
www.maxapress.com/forres
投稿网址：
mc03.manuscriptcentral.com/forres
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