土壤中的磷和氮素是保证作物产量的关键元素，但是大部分农业土壤中这两种元素是有限的【1】。为了提高磷和氮的吸收，陆地植物会通过为共生菌提供碳源来与其形成共生关系【2】。与共生菌共生的植物有两种方式获得营养：1、直接通过根部获得（通过感知磷素）【3】。2、吸收共生菌提供的营养。目前这两种方式的关系仍然未知【4】。

植物吸收磷的途径由保守的以磷饥饿反应为中心的转录因子调节。40年前人们就已经发现，提高土壤中磷元素的含量会抑制菌根的形成【5】。但是是否磷饥饿反应相关的转录因子他参与了这个过程仍然未知。

近日，中国科学院分子植物卓越研究中心王二涛课题组在Cell上发表题为A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis的学术论文，本文揭示了磷饥饿相关转录因子网络调节菌根共生的机制。 

（1）酵母单杂交筛库建立丛枝菌根共生基因调控网络图谱

为了系统性的挖掘调控菌根形成的转录因子，作者使用了酵母单杂交筛库（Y1H）的方法，筛选了能够与51个菌根发育相关的基因的启动子结合的转录因子。作者发现了一个关联密切的由266个转录因子和47个启动子构成的调控网络（图1A）。这些转录因子参与菌根形成，营养代谢和植物激素信号途径。通过分析已有的转录因子的突变体和沉默植株，作者发现这些转录因子参与菌根的形成（图1B-G）。

图1 酵母单杂交筛库建立丛枝菌根共生基因调控网络图谱 

（2）磷饥饿反应相关转录因子调控菌根共生

基因调控网络图谱表明磷饥饿反应相关转录因子OsPHR1/2/3激活了25/51个共生相关基因的转录因子（图2A,B），表明饥饿反应相关转录因子是调控菌根共生的重要节点。利用EMSA实验，作者证明了OsPHR2可以结合菌根共生相关基因的启动子（图2C,D）。同时，利用以Luciferase或GUS作为报告系统的体系也证明PHR2可以促进菌根共生相关基因的表达（图2E-G）。

图2 磷饥饿反应相关转录因子调控菌根共生

（3）OsPHR2调控网络调控菌根共生

通过过表达和敲除OsPHR2，作者进一步验证了其在菌根共生过程中的作用。作者发现敲除OsPHR2会导致菌根共生的减弱（图3A-3D）。而过表达OsPHR2则显著地增强了菌根共生（图3E,G），同时过表达OsPHR2可以提高菌根共生相关基因的表达。

图3 OsPHR2调控网络调控菌根共生

（4）磷酸盐通过磷饥饿转录因子调控网络调控菌根共生

磷素曾被报道能够抑制菌根共生，作者进一步希望探索是否磷酸通过调控磷饥饿转录因子从而抑制共生。对过表达OsPHR2的植株的分析结果表明，过表达OsPHR2在一定程度上抑制了磷对共生的抑制（图3E-G）。

SPX蛋白调控植物对磷的感知，并抑制OsPHR2的转录活性。通过荧光素酶报告系统，作者发现SPX蛋白可以抑制OsPHR2对共生相关基因的激活（图4A,4B）。过表达SPX蛋白则强烈抑制菌根共生（图4C）。对SPX蛋白的四突变体的分析表明，四突变体中磷饥饿反应加强（图4E,F），且菌根共生也显著增强（图5A-C）。同时，四突变体显著减弱了磷素对菌根共生的抑制（图5D-G）。

图4 SPX蛋白通过OsPHR2负调控菌根共生

图5 Osspx1/2/3/5四突变体对磷酸盐不敏感

由于遗传实验对水稻，苜蓿和大麦等菌根共生植物来说工作量巨大且耗时长，所以系统研究调控菌根共生的转录因子的研究至今很少。本文巧妙的利用酵母单杂交筛库技术，系统地获得了调控图谱，并通过图谱锁定磷饥饿反应相关转录因子是调控菌根共生的节点（图6），是酵母单杂交筛库的研究典范。同时，本文回答了40年来悬而未决的科学问题——磷为何能够抑制菌根共生，可以指导农业生产同时为分子育种打下基础。但是，酵母单杂交筛库仅能筛选到单转录因子与启动子的结合，而有些转录因子需要与其他蛋白形成异聚体才能够结合启动子。这类调控菌根共生异聚体仍有待发掘。

图6 SINE1与SINE2互作

参考文献

1. Akiyama, K., Matsuzaki, K., and Hayashi, H. (2005). Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi. Nature 435, 824–827.

2. Besserer, A., Puech-Page` s, V., Kiefer, P., Gomez-Roldan, V., Jauneau, A., Roy, S., Portais, J.-C., Roux, C., Be´ card, G., and Se´ jalon-Delmas, N. (2006). Strigolactones stimulate arbuscular mycorrhizal fungi by activating mitochondria. PLoS Biol. 4, e226.

3. Cai, Q., Yuan, Z., Chen, M., Yin, C., Luo, Z., Zhao, X., Liang, W., Hu, J., and Zhang, D. (2014). Jasmonic acid regulates spikelet development in rice. Nat. Commun. 5, 3476.

4. Chen, A., Gu, M., Sun, S., Zhu, L., Hong, S., and Xu, G. (2011a). Identification of two conserved cis-acting elements, MYCS and P1BS, involved in the regulation of mycorrhiza-activated phosphate transporters in eudicot species. New Phytol. 189, 1157–1169.

5. Chen, J., Liu, Y., Ni, J., Wang, Y., Bai, Y., Shi, J., Gan, J., Wu, Z., and Wu, P. (2011b). OsPHF1 regulates the plasma membrane localization of low- and high-affinity inorganic phosphate transporters and determines inorganic phosphate uptake and translocation in rice. Plant Physiol. 157, 269–278.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030