植物磷饥渴应答的遗传控制研究进展.docx

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植物磷饥渴应答的遗传控制研究进展

植物磷饥渴应答的遗传控制研究进展

摘要：

缺磷是限制植物生长、发育和繁殖的一个主要因素。

在自然条件和农业生产中，植物往往在低溶性磷的土壤中生长。

而植物可以通过增强土壤中营养的吸收以维持植物的生长、发育和代谢活动，以适应这种缺磷的环境。

全面了解植物如何感知磷酸的缺乏并进行调节的，复杂的交互调节成为研究的热门。

现已有一些关于磷酸缺乏应答的信号扮演者和信号系统的研究出现。

新出现的研究数据证明复杂的交互调节阻碍了植物对Pi的利用，如缺磷时信号系统对激素、光合同化物（糖）和离子如铁的调节。

本综述侧重于交互调节和缺磷反应的信号扮演者如SPX域蛋白。

关键词：

磷；信号；spx；Fe；激素

正文：

一般植物的生长和繁殖都依赖器官对磷酸的利用。

然而，许多自然和农业生态系统中，可利用的流动性磷酸的含量是十分低。

为应付磷限制，植物进化出了维持磷动态平衡的机制，其中包含从土壤中获取磷酸、贮存、活化和对磷酸的有效利用（PoirierandBucher,2002）。

基因芯片表达普（Calderon-Vazquezetal.,2008;Hammondetal.,2003;Missonetal.,2005;Morcuendeetal.,2007;Uhde-Stoneetal.,2003;Wuetal.,2003）、蛋白质组学方法（Lietal.,2008,2007）、代谢产物分析（Morcuendeetal.,2007）的研究显示植物会逐步形成适宜的新陈代谢方式和遗传变异。

然而关于植物是如何感知磷的可用性和信号的传递，以及缺磷时最影响植物生长的决定性改变是什么都还不清楚。

植物体中的磷主要由根从土壤中获取。

然后通过根表皮细胞的细胞膜、其他细胞的细胞膜和细胞器等一系列的转运运送到植物体内。

在最近十年里与高等植物Pi转运蛋白相关基因已由几个基因扩大到了PHT2，PHT1,PHT4,PHT3家庭，其中包括参与Pi穿过细胞膜、线粒体、叶绿体和高尔基体相关蛋白质的编码基因（Cuberoetal.,2009;Guoetal.,2008;Mudgeetal.,2002;PoirierandBucher,2002;VersawandHarrison,2002）.。

在拟南芥中Pi从根到运送地的转运涉及到PHT同源性不同的PHO1家族的两个成员，分别为PHO1和PHO1H1（Hamburgeretal.,2002;Stefanovicetal.,2007）。

最近有关于磷酸转运蛋白功能和规律的详细资料已被提出（Chenetal.,2008;RaghothamaandKarthikeyan,2005;RauschandBucher,2002;Smithetal.,2003）。

然而涉及磷饥渴基因表达的分子机制还尚不清楚，仅仅只有一部分影响磷饥渴诱变的转录因子被识别。

这些转录因子包括PHR1（磷饥渴反应1）（Rubioetal.,2001）,WRKY75（Devaiahetal.,2007a）,ZAT6（Devaiahetal.,2007b）,MYB62（Devaiahetal.,2009）,PTF1（Yietal.,2005）,andBHLH32（Chenetal.,2007）。

来自肌动蛋白ARP6上的H2AZ组蛋白沉降产生的染色体变异跟磷缺乏有关的一些基因的激活联系起来。

最近一些有关维持磷稳态的机制的研究的出现，主要是在本地或长距离传递的特殊信号载体的发现。

文献的新数据显示P稳态的控制因子与其他营养元素和调节分子存在复杂的关系，这些调节分子包括激素和光合产物。

然而这些关系的生物学意义和分子学基础还不得而知，即使这对提高磷营养的利用有很大的价值。

在植物中这一复杂的部分是目前农业生产中提高Pi利用的局限。

各方面的关于Pi信号的研究在最近几年发表（Chiou,2007;Doerner,2008;Fangetal.,2009;Gojonetal.,2009;Linetal.,2009;Liuetal.,2009;Rubioetal.,2009;TicconiandAbel,2004）。

在此综述中,我们总结近几年来在植物中的磷饥渴应答反应的研究进展,主要是根尖对Pi的感应和最新的调控因子包括miRNA、非编码RNA、编码蛋白质SPX域的基因和Pi信号传递与激素、糖、和铁之间的相互关系。

1.根尖的感知磷元素和信号发送

植物缺磷时的表形变化是最好的证明,也被认为是植物应对磷饥渴的适应机制。

根结构发生的变化包括主根生长的减慢、次生根和成熟区的增长、根毛长度和密度的增加（Desnos,2008;Osmontetal.,2007）。

此外介绍根向重力性的减少（LynchandBrown,1998）。

总而言之，这些变化增加了根的表面积从而提高植物从缺磷的土壤中搜寻到流动的磷。

仔细观察可以发现Pi限制能引起细胞伸长，根尖分生区的细胞周期的减少来让主根的生长减慢（Jainetal.,2009;Lopez-Bucioetal.,2002;Sanchez-Calderonetal.,2005;Williamsonetal.,2001）。

这些变化都指明植物的根尖能感知磷的不足。

在拟南芥中，已经成功的用遗传学方法找到了对缺磷不敏感的突变体，在低磷的生长培养基中任然有较长的主根（Sanchez-Calderonetal.,2006）（图1）。

三个决定低磷时根的生长长度的性状，其基因被命名为LPR1,LPR2,andLPR3（LOWPHOSPHATEROOT）已经通过两种拟南芥自交系绘制出来。

相应的基因LPR1即同源基因LPR2编码多铜氧化酶（MCOs）的基因在根尖的分生组织和根冠表达（Svistoonoffetal.,2007），已经有更进一步的论证表明在低磷的培养基内降低根的生长能力是必然的。

PDR2基因在一个Pi敏感性检验点上的功能被提出，即环境中P提供的情况、和相应的分生组织的活动的监测最近发表了,PDR2编码P5-型ATP酶，在缺磷的根内的内质网（ER）需要SCR适当的表达,即根的形状和细胞维持的关键调节器（Ticconietal.,2009）。

有趣的是,在根细胞壁和远端根部的分生组织内PDR2和LPR1基因的表达域显示有一个重叠。

表明LPR1和PDR2聚集在一起调整根部分生组织的活动感受外界的Pi情况。

这些数据证明根尖在感应Pi饥渴中扮演着关键角色。

短根型pdr2突变体在磷限制下通过补充培养基中的亚磷酸盐（phi）的来恢复根的长度，这表明phi能恢复分生组织的活动（Ticconietal.,2004）。

pi和phi貌似不能区分，但在缺磷培养基中生长的植物中观察到的Pi吸收、运输、Pi的信号转导、phi干扰-Pi信号通路、特别是减慢发育和分子反应相关的蛋白质，证实了Pi本生作为信号分子（Carswelletal.,1996;PlaxtonandCarswell,1999;Ticconietal.,2001;Varadarajanetal.,2002）。

Phi功能的提出为更好的了解Pi感知和信号系统的机制提供了机会。

2.解释植物根尖对Pi饥渴的适应性特征

图1：

示意图表示在植物体中参与Pi饥渴应答反应的不同途径。

实线表示调控路径、磷酸盐不足和分子物质。

正负调控分别用虚线和箭头表示。

空心箭头表示在磷饥饿增加或减少时的铁和激素水平。

PSI代表磷酸盐饥饿诱导基因。

植物缺磷根系的形态的不同表明这取决于固有的遗传背景、实验设计和不同的营养成分和培养基的多少。

最近的研究显示,在根Pi饥渴时的形态学变化实际上是复杂的Pi和其他营养元素间相互作用的结果，特别是Fe，Pi和铁对植物生理缺陷影响通常都是被分开研究的。

然而，从不同植物的研究中越来越多的证据指出两元素间存在相互作用（SchmidtandSchikora,2001;Wardetal.,2008;Zhengetal.,2009）.。

例如,在拟南芥中磷饥渴时Fe的积累水平较高，以及植物在缺磷的培养基中生长时根的结构的变化既主根伸长的抑制说明介质中的Fe浓度的具有很明显的影响。

（Svistoonoffetal.,2007;Wardetal.,2008）（Figure1）尽管培养基中Pi的浓度少，但Fe浓度的降低能恢复主根的伸长（Wardetal.,2008）。

Jain等人2009年研究的Fe和其他微量元素污染产生的缺磷应答的形态的变化认同了这些观点。

这些结果表明,铁在根系生长过程中的Pi感应和信号途径的影响需要重新审议如在Pdr2突变体中观察到的Pi限制的抑制因素是Fe（Ticconietal.,2009）。

因此,进行一个整合性的研究来精确的阐明分子机制即怎样协调Pi饥渴和Fe应答通路,而不只是在Pi不足时根构型的变化上将是一个有趣的课题。

总而言之,在新数据的出现,它已经逐渐清晰,根表型不能成为一个可靠的因素,在植物中不论现在还是以后的研究Pi及针对根的生长Pi传感和信号机制的破解中不应忽视Pi和其他离子间的动态平衡关系（Lopez-Bucioetal.,2005,2002;Nacryetal.,2005;SchikoraandSchmidt,2001;Williamsonetal.,2001）。

最近的研究证明一类转录生长发育的调节物生长激素（ARF19）在缺磷时侧生根的形成以及参与SCFTIR1相关信号传递机制中起一定的作用（Perez-Torresetal.,2008）（Figure1）。

许多报道都清楚地表明Pi缺乏的根外显形态涉及到植物激素的合成。

然而,很少有人了解Pi、植物激素信号之间的联系、他们与根发育的协调。

如生长素提供引起根的外型的变化与那些Pi饥渴引起的变化相似，也就是抑制主根的根横向生长的增强和根毛的形成（Lopez-Bucioetal.,2005,2002;Nacryetal.,2005;SchikoraandSchmidt,2001;Williamsonetal.,2001）。

涉及在植物缺磷时的运输，积累，植物激素的感应是支持生长素依赖和生长素独立调节根形态的机制的存在。

生长素调控根系的生长与GA-酸介导的两种作为生长阻遏物的DELLA蛋白RGA和GAI（FuandHarberd,2003）。

这些证明了GA参与缺磷反应。

Pi饥渴植物造成生物活性GA水平的减少和DELLA蛋白的积累（Jiangetal.,2007）。

值得注意的是DELLA-介导的信号转导只是根缺磷反应的一个方面，即主根系生长的抑制和促进根毛的某些方面（Jiangetal.,2007）（Figure1）。

除了生长素和GA，在乙烯的参与Pi饥饿时能刺激根毛的形成、侧根伸长和主根的伸长的减少也证明了这一事实（Jiangetal.,2007）。

不过，鉴于激素信号通路的协同、增强和拮抗作用的复杂性，当前图片显示的Pi饥渴的反应根表型的变化，如何改变综合的产出的这些激素的传递远不完整。

3.含磷酸信号的蛋白质SPX域的作用

蛋白质SPX域体系结构显示高度的多样性。

第一，由于插入或删除产生的分裂和分离，SPX域本身往往是存在序列的多样性（Baraboteetal.,2006;Wangetal.,2004）。

例如，在拟南芥和小立碗藓的PHO1家族蛋白质中，SPX域内发现有穿插相对较大的插入，而在拟南芥蛋白质连续发现SPX域的三方域SPX1、SPX2和SPX3（Duanetal.,2008）。

第二，发现与SPX域有关的其他域的较大差异也显示SPX域蛋白体系有较高的差异。

此外，虽然蛋白N端几乎总是能找到SPX域，但也有几个例子中，在蛋白质中间和末端也发现SPX域。

蛋白质SPX域的结构的高度变化将反映在功能上。

事实上,许多功能都是由蛋白质的SPX域决定的：

从Pho81S.间歇—控制依赖性激酶抑制剂（CDK）—Vtc3S.间歇，—液泡转运复合体，液泡膜融合中扮演的角色的一个组成部分（Cohenetal.,1999;Mu¨lleretal.,2002;WykoffandO’Shea,2001）。

不过，尽管蛋白质的SPX域潜在功能多样性，值得注意的一点是大量的这些蛋白质直接或间接地链接到磷酸稳态或磷酸相关的途径中。

例如，Vtc3是被认为参与酵母中的磷饥渴反应（Ogawaetal.,2000）。

在S.间歇上的SPX域蛋白和磷代谢之间存在联系是确定的。

三个低亲和二价阴离子磷转运体：

Na+转运体家族、Pho87、Pho90、Pho91，都携带一个N端SPX域。

有趣的是，这些低亲和力正磷酸盐载体已经不从环境吸收中耦合磷调节Pi稳态。

他们独立调节细胞内正磷酸盐浓度的PHO基因的表达，并通过严格要求细胞周期激素抑制剂PHO81的信号转导通路（Pinsonetal.,2004）。

值得注意的是虽然DASS家族成员是无处不在的，包括真菌和细菌的磷转运蛋白与仅存在于真菌中的DASS家族成员相关联，包括S.酵母菌的Pho蛋白质Pho87，Pho90和Pho91（Baraboteetal.,2006）。

这表明低亲和磷转运体的SPX域对这些在酵母中的蛋白质提供了额外的功能。

事实上，2009年Hurlimann等人的研究显示Pho90的SPX域可以作为自动抑制的域控制和管理磷酸的积累。

此外，Pho90的SPX域需要依赖于Spl2的抑制磷酸的吸收，很可能是通过与Spl2相互作用来完成的。

这些结果说明酵母Pho90的SPX域的一个功能就是对磷吸收、磷酸存储和磷酸利用即Pho微调途径（Hurlimannetal.,2009）。

另一个重要的Pho调节子是依赖性蛋白激酶抑制剂Pho81，是在Pho80–Pho85依赖性激酶复合体上的去抑制转录因子Pho4，在外界Pi可用性限制下Pho4通过更改其磷酸化状态实现去抑制的作用（WykoffandO’Shea,2001）。

Pho81N的末端区域包含SPX域但对Pho81的活动不是必要的。

有趣的是，这一区域像自动抑制的域，能抑制、去抑制Pho81的活动（Ogawaetal.,1995）。

值得注意的是自动抑制功能的Pho90和Pho81的SPX域之间的相似性，是否可以普遍试用于其他SPX蛋白质。

酵母营养稳态系统的研究即酵母的蛋白质的SPX域的复杂信号系统和蛋白质的SPX域中的信息可以揭示SPX域蛋白在植物中磷酸稳态中的作用。

很多蛋白质的SPX域已在低等植物和高等植物中被鉴定（Duanetal.,2008;Wangetal.,2004,2008,2009b）。

有一个SPX域的蛋白的在磷稳态和信号发送中的作用主要是在拟南芥和水稻中被证实的。

在拟南芥中，跟据结构划分可以将蛋白质的SPX域分为4类：

（1）几乎完全只有一个SPX域的蛋白质；2）除SPX域还具Cterminal或EXS域的蛋白；（3）MFS域（主要促进家族）（4）锌指域（Duanetal.,2008;Wangetal.,2004）。

拟南芥PHO1的同源片段是只包含SPX和EXS域的真核生物蛋白质（Wangetal.,2004）。

Pho1（磷酸不足1）突变体特点是在生长和Pi的容量的严重不足，虽然根的Pi水平均是正常（Poirieretal.,1991）。

PHO1基因在运输系统的细胞内的表达可以从根内转运Pi到木质部的作用（Hamburgeretal.,2002）。

拟南芥基因组包括10个跟Pho具有同源性的基因，其作用主要是补充pho1突变体，在多数PHO基因家族中这些PHO1同源性表明限制功能的过多，然而仅仅最紧密关联的基因是PHO1和H1，能从根尖的生长和根尖的Pi容量方面恢复pho1突变体的表型（Stefanovicetal.,2007）。

除将Pi转移到维管束的功能外，来自不同组织如毛状体和花粉粒的组织的这些PHO1同源基因表达和基因的表达模型的数据，通过管理和植物激素的作用如脱落酸（Ribotetal.,2008a,2008b;Wangetal.,2004）。

另一个PHO1基因家族，AtPHO1；H4，也称为短胚轴蓝1（SHB1），在拟南芥中的蓝灯刺激胚轴的伸长（KangandNi,2006）、参与种子大小的调控、开花中起调控作用的物质。

这些蛋白域中的EXS域的分子结构完全不得而知。

同样，属于第三和第四个类别的蛋白SPX域的功能也还不得而知。

多数拟南芥SPX基因家族编码仅携带一个SPX域的蛋白质（Duanetal.,2008）。

四个拟南芥基因AtSPX1、AtSPX2、AtSPX3、AtSPX4的表达受磷饥渴的调控。

Pi饥渴诱导AtSPX1、AtSPX2、AtSPX3基因的表达（图1），而Pi饥渴抑制AtSPX4的表达（Duanetal.,2008）。

此外，这些基因的表达被认为是两个磷饥渴调节基因的SIZ1及PHR1控制下完成的（图1）（Miuraetal.,2005;Rubioetal.,2001）。

同时AtSPX基因在与Pi相关的反应中扮演着不同的角色。

然而，AtSPX1、AtSPX2、AtSPX4的T-DNA嵌入突变体在Pi充足或Pi不足的条件下没有出现明显的表型变化（Duanetal.,2008）。

AtSPX3表达的抑制，另一方面，在表型和基因表达水平导致对磷饥渴的高灵敏反应表明在拟南芥的Pi饥渴信号发送中AtSPX3是一个负调控因子（Duanetal.,2008）（Figure1）。

考虑到的AtSPX1和AtSPX2它们的序列、表达和细胞定位的相似性，这两个基因可能是多余，以及考虑到这两个双重突变体AtSPX1和AtSPX2生物学功能揭示了他们的生物学作用是必须的。

有趣的是，OsSPX1，水稻的AtSPX1同源基因以及最近发现的跟拟南芥PHR1和PHO2同源的水稻基因OsPHR2和OsPHO2基因都是水稻Pi饥饿反应的负反馈调节因子（Wangetal.,2009a）。

在这些方面，在拟南芥中OsSPX1的功能类似于AtSPX3的功能，仅有一个SPX域的一类蛋白作为一个负调控因子是普遍的功能。

这个功能跟在酵母中的Pho81和Pho90的SPX域的潜在自动抑制作用相类似（Hurlimannetal.,2009;Ogawaetal.,1995）。

我们仍然不知道AtSPX3和OsSPX1是否通过其他SPX域蛋白的负向调控抑制Pi饥渴信号发送的。

阐发SPX域蛋白质的分子功能重要的一点是其亚细胞定位。

有趣的是，大多数AtSPX家族成员局限在不同的细胞器，包括核和不明的泡状的结构（Duanetal.,2008）。

短信号序列，如在AtSPX1双核-靶序列的的鉴定可以解释这种定位。

S.间歇Pho90的细胞膜定位不受SPX域的去除的影响（Hurlimannetal.,2009）。

因此SPX蛋白的定位最有可能由其他诱因或独联体SPX域中的域决定的。

例如，Syg1，酵母中的PHO1一个同源片段，细胞胞膜的组成部分（Spainetal.,1995）。

PHO1家族的所有成员出现在多个跨膜域中表明这些蛋白质的膜电位定位（Hamburgeretal.,2002;Wangetal.,2004）。

有趣的是，SHB1–GUS融合被报在核内而不是预测的跨膜域中（KangandNi,2006）。

在酵母中的两项研究中SPX域介导的相互调解作用的了解不足。

Syg1的SPX域与当a-亚基的缺失的致死抑制蛋白即G蛋白二聚体的b亚基的相互作用被发现（Spainetal.,1995）。

这种相互作用是否可以在酵母或植物中的其他SPX域中推广尚待确定。

不过，SPX域可以参与G蛋白信号转导通路与信息交换表明SPX蛋白可以参与信号转导通路。

最近一项研究报告指出了酵母Pho90SPX域与Spl2的相互作用，假定的依赖性细胞周期素激酶抑制剂抑制磷限制的低亲和力磷酸盐转运过程，表明SPX域可能有各种各样的相互作用的伙伴（Hurlimannetal.,2009）。

SPX域蛋白是否涉及与植物Pi信号通路其物质的相互作用尚未澄清。

4.miRNA、非编码RNA在磷信号传导中的作用

近几年，miRNA的控制让植物不同营养元素维持稳态如P、铜、硫酸盐的平衡分子机制已被揭示（Barietal.2006;Chiouetal.,2006;Fujietal.,2005;Jones-RhoadesandBartel,2004;Sunkaretal.,2007;SunkarandZhu,2004;Yamasakietal.,2007）。

在拟南芥中，Pi的限制诱导数量有限的miRNA分子突变包括miRNA399,miRNA778,miRNA827,和miRNA2111（Fujietal.,2005;Hsiehetal.,2009;Pantetal.,2009）（Figure1）。

到目前为止仅miRNA399在植物Pi稳态调节中的作用已澄清（（Doerner,2008;Linetal.,2009）。

miRNA399是根尖缺磷信号通路的一个组成部分。

嫁接的实验已经证明miRNA399可以通过PHO2转录成E2-结合酶的作用经过筛管从芽转移到根转运到根韧皮部（Linetal.,2008;Pantetal.,2008）。

PHO2表达需要通过MiRNA399的表达来增加根吸收Pi转运蛋白的表达（e.g.PHT1;8andPHT1;9），并从根吸收Pi由根转运到芽。

Pi限制下phr1突变体MYB转录因子的抑制作用下miRNA399积累显著加强（Barietal.,2006）。

这些使miRNA399和PHO2转运下游的PHR1作为Pi信号的系统更明确了（Doerner,2008;Linetal.,2009）（Figure1）。

除了miRNA399和PHO2，此特定的Pi信号系统参与Pi饥渴基因IPS的诱导（BurleighandHarrison,1997,1999;Liuetal.,1997）。

这些Pi饥渴诱导转录物在长期不编码开放阅读框中起到重要作用；相反它们包含一个对miRNA399保守的23-bp区域的补充。

IPS的转录被认为是由‘targetmimicry’的机制通过PHO2–miRNA399途径作用的（Figure1）。

拟南芥中Pi饥渴的诱导属于IPS基因家族的At4基因的变异，导致茎到根Pi比率的改变（Shinetal.,2006）。

这些核酸-调节子在PHO2–miRNA399调控循环中起到重要作用，使miRNA399沉默抑制PHO2基因的mRNA的表达并调整PHO2的转录水平，在Pi平衡中担当重要的角色已被提出。

因为拟南芥IPS同源基因和在许多其他植物的PHO基因的出现和在