在全球粮食安全和农业可持续发展的背景下，“减肥增效”已成为农业研究的焦点。目前，我国小麦当季磷肥利用效率仅有19%，远低于氮肥利用效率（32%）与钾肥利用效率（44%），是小麦养分高效的关键。虽然土壤中的磷素含量很丰富（0.06 ~ 0.1%），但是由于土壤的固定、矿化等作用导致土壤中能被作物直接吸收利用的有效磷浓度较低（30 ppm左右），远不能满足作物的生长需要。因此，挖掘磷高效基因，选育磷高效品种是提高作物养分高效的有效途径。
继2021年首次在New Phytologist期刊揭示高亲和磷转运蛋白—TaPHT1;9-4B在小麦磷吸收转运中的重要功能以来，河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心康国章团队持续深耕小麦磷高效研究，2024年相继在国际著名期刊Field Crops Research、Plant and Soil和Journal of Integrative Agriculture上发表题为"Pi-efficient wheat cultivars screened by using both functional marker CAPS-799 and field experiment"、"Comparative analysis of TaPHT1;9 function using CRISPR edited mutants, ectopic transgenic plants and their wild types under soil conditions"、"Identification of P-efficient elite allele of the TaPHT1;6 gene and development of its functional marker in common wheat (Triticum aestivum L.) "的研究论文，进一步揭示了TaPHT1;9-4B、TaPHT1;6-5B在小麦磷高效吸收利用过程中的重要功能，并开发了可应用于选育磷高效小麦新品种的功能标记。
通过连续两年的盆栽试验，检测了TaPHT1;9基因编辑小麦和异源过表达水稻在施加正常磷肥（+20 mg/kg Pi, P20）、低磷肥（+5 mg/kg Pi, P5）和不施磷肥（+0 mg/kg Pi, P0）处理土壤条件下的磷吸收利用效率。结果发现，在低磷环境下（P0和P5），编辑小麦植株与野生型对照植株相比，磷积累量降低5.51%和19.18%，籽粒产量降低13.55%和12.41%，磷素利用效率降低了3.83%和3.00%，而异源过表达水稻植株在低磷环境下的籽粒产量和磷效率均比对照植株显著升高（图1），表明TaPHT1;9主要在低磷环境下发挥功能，这与前期的水培验证结果基本一致，同时也证明该基因在小麦磷高效品种筛选中具有应用价值。
图1 TaPHT1;9转基因植株在土壤环境下的表型图与相关性状
该团队在前期研究中开发了鉴定TaPHT1;9磷高效优异单倍型（Hap3）的功能标记CAPS-799（授权发明专利：ZL202110539032.9），进一步利用该标记对主栽小麦品种进行筛选，从80个品种中鉴定出8个Hap3单倍型小麦品种（图2A）。然后将不同单倍型小麦品种同时种植在正常施磷（+120 kg/ha P2O5，P120）和不施磷肥（+ 0 kg/ha P2O5，P0）试验田，并测定其磷效率、籽粒产量及其产量三要素。经过连续两年田间试验，结果发现低磷环境下Hap3小麦品种的籽粒产量（+23.91%）、穗数（+31.66%）、磷吸收（+33.80%）和转运效率（+13.84%）显著高于其他单倍型品种（图2B-E），表明这8个小麦品种属于磷高效小麦品种，同时也证明了CAPS-799在快速筛选和鉴定磷高效小麦品种中的应用价值。为进一步探究Hap3磷高效的机制，测定了灌浆初期不同单倍型小麦品种根、茎、叶中TaPHT1;9的转录水平以及水培条件下不同单倍型小麦品种的根系形态变化。结果发现，低磷环境下Hap3小麦品种根系的TaPHT1;9转录水平显著高于其他单倍型，其相对根系干重、相对根系磷积累量、相对根系表面积、相对根系体积和相对根系平均直径均显著高于其它品种（图2F-L）。这些结果表明CAPS-799是一个可用于鉴定磷高效小麦品种的分子标记，其磷高效机制可能来源于筛选出来的Hap3小麦品种具有较多的根系、更高的TaPHT1;9转录水平和更高的磷效率，进而促进其形成了较多的穗数和籽粒产量。
图2 不同单倍型小麦品种的籽粒产量、磷效率和相对根系生长参数
该团队同时对另一个高亲和磷转运蛋白编码基因—TaPHT1;6的基因多态性进行检测和磷高效优异单倍型鉴定。通过对167个普通小麦品种的TaPHT1;6基因启动子和编码区进行了扩增和测序，发现TaPHT1;6-5B基因存在16个等位变异位点，形成了三个不同的单倍型（Hap1, Hap2, Hap3）（图3A）。经过连续两年的田间试验，测定了这些单倍型小麦品种在正常施加磷肥（+120 kg/ha P2O5，P120）和连续多年不施磷肥（+ 0 kg/ha P2O5，P0）田间条件下的地上部干重、籽粒产量、磷含量，并计算磷肥吸收效率和磷肥利用效率，结果发现Hap3小麦品种的磷肥吸收效率较Hap1和Hap2小麦品种分别提高了94.8%、134.9%，磷肥利用效率分别提高了140.95%、108.45%（图3B-E）。通过基因定量分析检测发现，在开花期，Hap3小麦品种根系和叶片内的TaPHT1;6-5B转录水平显著高于另外两种单倍型品种；双荧光素酶报告基因检测试验发现Hap3启动子比Hap1和Hap2启动子具有更强的基因表达驱动能力（图3F-I）。这些结果表明Hap3为TaPHT1;6-5B的磷高效优异单倍型，并进一步开发出了快速鉴定Hap3单倍型的功能标记dCAPS-571（专利申请号：CN202410294852.X）（图3J），可用于磷高效小麦新品种的选育。
图3 TaPHT1;6-5B优异单倍型的鉴定与分子标记的开发
上述论文第一作者分别为在读博士研究生王金凤、已毕业硕士研究生陈泽东、师焕婷，康国章研究员、王鹏飞副教授和韩巧霞副研究员为论文共同通讯作者。研究得到了国家现代农业产业技术体系资助（CARS-03）、中国博士后科学基金（2023M731006）、神农种业实验室“一流课题”（SN01-2022-01）、河南省科技攻关项目（222102110039、232102111104）等资助。
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