水稻磷素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制研究進(jìn)展

徐 壯，王婉瑕，徐 磊，易可可*

（1 浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081）

磷是植物所需的必需營養(yǎng)元素[1]，是植物體內(nèi)許多代謝物和大分子物質(zhì) (例如ATP、核酸和磷脂) 的組分，并且在能量傳遞、信號傳導(dǎo)、光合作用和呼吸作用等方面起著重要作用[2]。植物主要吸收利用無機(jī)磷，盡管土壤中總磷的含量很高，但是可供植物根系吸收的無機(jī)磷嚴(yán)重缺乏[3–5]。相對于氮素在土壤中通過大量流動和擴(kuò)散來移動，磷素在土壤中只能通過擴(kuò)散而移動。由于磷素易與土壤中的陽離子鰲合形成難溶性化合物，阻礙其在土壤中的移動, 故而難以被植物有效吸收[6–8]。

植物在長期的進(jìn)化過程中，形成了一套高效地吸收利用磷素的分子調(diào)控機(jī)制。植物能夠選擇性地在細(xì)胞中積累磷素和其他的營養(yǎng)元素，磷素透過細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)膜的選擇性吸收過程依賴于細(xì)胞膜定位的轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白。磷素在植物細(xì)胞、組織、器官中的分布需要經(jīng)過短距離和長距離的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，這個過程對于植物整個生命活動非常重要[9]。目前對磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體吸收磷素的分子機(jī)制研究較為清楚，但對于磷素在植物體內(nèi)的儲存、分配和再利用過程的機(jī)制還研究較少。

本文將綜述水稻中磷素吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的過程以及其中涉及的相關(guān)分子機(jī)制，并對今后的磷素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的研究重點進(jìn)行展望。

1 植物根系無機(jī)磷的吸收

植物主要通過根系從土壤溶液中吸收無機(jī)磷。因為無機(jī)磷在土壤中的含量一般不超過10 μmol/L，大部分的磷素以有機(jī)磷的形式儲存在土壤中，需要被水解為無機(jī)磷才能被植物所利用。在缺磷條件下，植物根系能分泌酸性磷酸酶來水解土壤中的有機(jī)磷，以緩解植物的磷饑餓情況，早期在對擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)，紫色酸性磷酸酶 (PAP) 家族成員AtPAP12和AtPAP26能被分泌到根系表面，而且在缺磷條件下這兩個基因被誘導(dǎo)表達(dá)，從而將外界的有機(jī)磷水解為無機(jī)磷供植物吸收利用[10]。隨后，在水稻中的研究發(fā)現(xiàn)，紫色酸性磷酸酶10c (OsPAP10c)也是一類分泌蛋白，該基因主要在根系表皮和外皮層細(xì)胞中表達(dá)，并且受缺磷條件誘導(dǎo)。OsPAP10c增強(qiáng)表達(dá)后導(dǎo)致根際酸性磷酸酶活力升高，增強(qiáng)了水稻對外界有機(jī)磷的水解作用[11]。

有研究表明高等植物對無機(jī)磷吸收的最適pH在5.0～6.0，而該pH條件下無機(jī)磷大多以磷酸二氫根的形式存在。在正常生理條件下，由于無機(jī)磷在細(xì)胞質(zhì)中的含量高于細(xì)胞膜外溶液中無機(jī)磷的含量，因此植物透過細(xì)胞質(zhì)膜將土壤溶液中的無機(jī)磷吸收進(jìn)體內(nèi)的過程需要克服細(xì)胞膜內(nèi)外的離子濃度差。植物吸收的無機(jī)磷主要以磷酸二氫根的形式進(jìn)入細(xì)胞膜，由于在這個轉(zhuǎn)運(yùn)過程中會很快消除細(xì)胞質(zhì)膜上電位的極性，因此無機(jī)磷是以一種氫離子/磷酸二氫根離子的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)模式跨過細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)[12]。

酵母中的PHO84是第一個被克隆的高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，通過氨基酸序列相似性比對分析，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了與酵母PHO84同源的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體基因家族，該家族編碼的蛋白可以回復(fù)酵母pho84突變體[13–14]。在擬南芥中，PHT1家族有9個成員，分別命名為AtPHT1;1-AtPHT1;9。AtPHT1;1和AtPHT1;4都是高親和的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，在低磷和高磷的條件下都能參與磷的吸收，并且表達(dá)都受到缺磷的誘導(dǎo)[15]。AtPHT1;8和AtPHT1;9是兩個高親和的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，在缺磷條件下參與根系從外界吸收無機(jī)磷[16]。

PHT1家族在水稻中有13個成員，分別命名為OsPHT1;1-OsPHT1;13。已報道的水稻PHT1家族成員都定位于細(xì)胞質(zhì)膜，目前研究發(fā)現(xiàn)該磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體家族的部分成員參與了外界無機(jī)磷的吸收過程，但不同的成員之間，其表達(dá)模式及具體功能有所不同。OsPHT1;1和OsPHT1;8的表達(dá)不受外界無機(jī)磷水平的影響，其在地上部和根部都呈現(xiàn)組成型表達(dá)。這兩個基因都具有高親和的無機(jī)磷吸收能力，介導(dǎo)μmol級別磷的吸收，但OsPHT1;8比OsPHT1;1的親和力更高，OsPHT1;8的磷吸收的Km值為27 μmol，而OsPHT1;1的磷吸收Km值是177 μmol。OsPHT1;1和OsPHT1;8增強(qiáng)表達(dá)會顯著增加植株的無機(jī)磷含量，而基因功能缺失會造成植株的無機(jī)磷含量下降[17–18]。OsPHT1;6是高親和的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，在正常供磷條件下根里面基本上沒有表達(dá)，葉片中表達(dá)也很弱，但在缺磷條件下，OsPHT1;6的表達(dá)被強(qiáng)烈誘導(dǎo)，在表皮細(xì)胞、主根、側(cè)根、外皮層細(xì)胞、中柱細(xì)胞都有表達(dá)，反映其可能在無機(jī)磷的吸收和從根到地上部的長距離轉(zhuǎn)運(yùn)中都起到作用[19]。OsPHT1;4是一個高親和的轉(zhuǎn)運(yùn)體，在無機(jī)磷充分的條件下，其主要在根和劍葉中表達(dá)，而在缺磷后根和地上部的表達(dá)量都增加，該基因增強(qiáng)植株的地上部和根里無機(jī)磷含量明顯升高，相對應(yīng)的基因缺陷型植株的地上部和根里的無機(jī)磷含量顯著下降，這些都表明OsPHT1;4可能參與到了無機(jī)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，同時OsPHT1;4在水稻胚胎的發(fā)育過程中也起到關(guān)鍵作用[20–21]。OsPHT1;9和 OsPHT1;10都是高親和的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，其表達(dá)受到缺磷誘導(dǎo)。這兩個基因的組織表達(dá)模式一致，在無機(jī)磷充分的條件下主要在根表皮、根毛、側(cè)根中表達(dá)，在葉片沒有表達(dá)，而在缺磷的條件下根和葉片中的表達(dá)都顯著增強(qiáng)。在OsPHT1;9和OsPHT1;10各自的單基因干涉的株系中，無論是在加磷還是缺磷條件下都沒有顯著地降低無機(jī)磷的吸收，而在這兩個基因的雙干涉株系中，無機(jī)磷的含量顯著減少，說明OsPHT1;9和OsPHT1;10在無機(jī)磷的吸收過程中存在功能冗余[22]。OsPHT1;11和OsPHT1;13參與叢植菌根共生過程，并受菌根誘導(dǎo)表達(dá)，且是OsPHT1;11負(fù)責(zé)吸收菌根里的無機(jī)磷，而OsPHT1;13不參與磷的吸收，主要作為指導(dǎo)共生發(fā)育過程中的信號[23]。

這些磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體在不同的外界磷素供應(yīng)條件下發(fā)揮磷酸鹽吸收的重要功能。外界磷素狀況不僅影響PHT1轉(zhuǎn)運(yùn)體的轉(zhuǎn)錄水平，還能對其在翻譯后水平上進(jìn)行調(diào)控來協(xié)調(diào)植物磷酸鹽吸收的能力。研究發(fā)現(xiàn)PHT1蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)輸出到質(zhì)膜的運(yùn)輸?shù)倪^程中需要伴侶蛋白 PHF1 ((PHOSPHATE TRANSPORTER TRAFFIC FACILITATOR1) 的幫助[24]。PHF1 編碼一個定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白，在擬南芥和水稻中該基因功能缺失都導(dǎo)致植株內(nèi)無機(jī)磷含量下降，而增強(qiáng)表達(dá)后植株內(nèi)無機(jī)磷含量增加[25]。OsPHF1能夠幫助擬南芥中磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體AtPHT1;1和水稻中高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPHT1;8及低親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPHT1;2從內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (ER) 的輸出，從而正確地定位到細(xì)胞質(zhì)膜，PHF1突變將導(dǎo)致高親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPHT1;8及低親和磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPHT1;2滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)[26]。PHT1的輸出過程受到磷酸化的調(diào)控，水稻中酪蛋白激酶 (CK2) 能在無機(jī)磷充分的情況下磷酸化OsPHT1;8的517位的絲氨酸，使得OsPHT1;8無法與OsPHF1互作，最終導(dǎo)致OsPHT1;8滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，從而減少了植株對無機(jī)磷的吸收。相反的，在缺磷的條件下OsCK2蛋白被降解，從而使未磷酸化的OsPHT1;8在OsPHF1的幫助下從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)輸出到細(xì)胞質(zhì)膜上，促進(jìn)無機(jī)磷的吸收[27]。

2 植物體內(nèi)無機(jī)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)

無機(jī)磷被吸收到細(xì)胞內(nèi)后，植物細(xì)胞內(nèi)部的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體負(fù)責(zé)將無機(jī)磷運(yùn)輸?shù)讲煌膩喖?xì)胞器并調(diào)控不同亞細(xì)胞器與細(xì)胞質(zhì)之間的無機(jī)磷交換，以滿足各亞細(xì)胞器的正常代謝活動。同時，植物通過體內(nèi)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體調(diào)控?zé)o機(jī)磷在不同的細(xì)胞、不同的組織之間的轉(zhuǎn)移分配，以此滿足植物生長發(fā)育對磷素的需求[12]。

2.1 植物細(xì)胞內(nèi)的無機(jī)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)

在細(xì)胞內(nèi)，無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體第二家族 (PHT2) 定位于葉綠體膜上，負(fù)責(zé)將Pi吸收進(jìn)葉綠體中。在擬南芥中該家族成員PHT2;1功能缺失導(dǎo)致葉片無機(jī)磷含量減少，植株矮小，且改變了磷饑餓響應(yīng)基因的表達(dá)[28–29]。水稻中與AtPHT2;1同源的基因OsPHT2;1在葉片表達(dá)強(qiáng)烈，而在根中的表達(dá)較弱。OsPHT2;1在低磷條件下在葉片中的表達(dá)被誘導(dǎo)，且光照強(qiáng)度能調(diào)控OsPHT2;1在葉片中的表達(dá)。超表達(dá)OsPHT2;1轉(zhuǎn)基因植株的葉片磷含量增高，提高了植株對磷的利用率[30]。無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體第四家族 (PHT4) 中的PHT4;4定位于葉綠體的內(nèi)膜，PHT4;3和PHT4;5定位于韌皮部中的葉綠體，PHT4;1定位于葉綠體的內(nèi)膜和類囊體膜，負(fù)責(zé)無機(jī)磷從類囊體到基質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[31–33]。不同于葉綠體，在線粒體中無機(jī)磷的輸入依賴于ATP合成過程，無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體PHT3是位于線粒體內(nèi)膜的無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體，該轉(zhuǎn)運(yùn)體能夠幫助無機(jī)磷輸入進(jìn)線粒體[34–37]。擬南芥中，定位在高爾基體的無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體PHT4;6負(fù)責(zé)無機(jī)磷從高爾基體到細(xì)胞質(zhì)的輸出，而無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體PHT4;2負(fù)責(zé)從質(zhì)體中輸出無機(jī)磷[38]。

對植物細(xì)胞而言，液泡是最主要的無機(jī)磷儲存的細(xì)胞器，大約有95%的無機(jī)磷儲存在其中。當(dāng)植物處于缺磷狀態(tài)時其儲存的無機(jī)磷可以迅速地從液泡中輸出，以維持細(xì)胞內(nèi)部無機(jī)磷的平衡[12, 39–40]。最近的研究發(fā)現(xiàn)SPX-MFS家族成員在植物液泡內(nèi)無機(jī)磷平衡中發(fā)揮作用。擬南芥SPX-MFS1被稱為PHT5;1或者液泡膜磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體1 (VPT1)，其功能是將細(xì)胞溶質(zhì)的無機(jī)磷運(yùn)輸?shù)揭号葜?。該基因超表達(dá)植株的液泡中積累更多的無機(jī)磷，而功能缺失后植株液泡內(nèi)無機(jī)磷含量降低[41–42]。與擬南芥SPX-MFS蛋白類似，水稻SPX-MFS蛋白同樣定位于液泡膜上。水稻中OsSPX-MFS1能夠回復(fù)擬南芥pht5;1突變體的表型，因此水稻中的SPX-MFS家族的蛋白也可能作為一個無機(jī)磷從細(xì)胞質(zhì)輸入到液泡的轉(zhuǎn)運(yùn)體。SPXMFS家族另一個成員OsSPX-MFS3能夠在蛙卵母細(xì)胞膜上異源表達(dá)，介導(dǎo)無機(jī)磷的輸入或輸出，但超表達(dá)OsSPX-MFS3轉(zhuǎn)基因植株中液泡內(nèi)的無機(jī)磷含量降低，因此其可能作為一個從液泡輸出無機(jī)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)體，但有待進(jìn)一步的實驗去證明[43–44]。

2.2 無機(jī)磷從根系到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)

當(dāng)無機(jī)磷從體外被吸收進(jìn)體內(nèi)之后，依次通過植物根系的外皮層、皮層、內(nèi)皮層，最后進(jìn)入植物根系的中柱。無機(jī)磷主要是通過質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑進(jìn)行運(yùn)輸[45]。當(dāng)無機(jī)磷進(jìn)入植物根系的中柱細(xì)胞之后，由位于根系維管束木質(zhì)部的PHOSPHATE1(PHO1) 負(fù)責(zé)將無機(jī)磷加載到木質(zhì)部，然后由木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部[46]。

PHO1屬于SPX-EXS蛋白家族，該類蛋白的氨基端包含SPX結(jié)構(gòu)域 (根據(jù)酵母G蛋白SYG1、酵母PHO81以及人類的XPR1而命名的)，羧基端包含EXS (根據(jù)在釀酒酵母蛋白ERD1、SYG1及哺乳動物蛋白XPR1中發(fā)現(xiàn)的同源序列而命名) 結(jié)構(gòu)域[46]。擬南芥和水稻pho1突變體的植株生長受到抑制，無機(jī)磷從根轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的過程受到阻礙，導(dǎo)致地上部無機(jī)磷減少，而根里的無機(jī)磷含量增高。擬南芥中的研究表明AtPHO1;1定位于高爾基體和反式高爾基體，但在高磷情況下會有少量的AtPHO1;1定位到細(xì)胞質(zhì)膜上，增強(qiáng)表達(dá)AtPHO1;1能夠促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)無機(jī)磷的輸出，但其介導(dǎo)磷輸出的機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。擬南芥中還存在10個與AtPHO1;1同源的基因，被命名為AtPHO1;H1-H10, 然而只有AtPHO1；H1能回復(fù)Atpho1突變體的表型，說明它可能也參與無機(jī)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)[47]。水稻中與AtPHO1;1同源的基因有三個，分別是OsPHO1;1、OsPHO1;2、OsPHO1;3，其中OsPHO1;2在無機(jī)磷加載到地上部的過程中起主要的功能[48]。但與擬南芥不同的是，水稻中所有的PHO1成員都存在天然反義轉(zhuǎn)錄本，當(dāng)無機(jī)磷缺乏時天然反義轉(zhuǎn)錄本水平上調(diào)，從而促進(jìn)PHO1蛋白的翻譯，從而增強(qiáng)對無機(jī)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)[49]。

PHT1家族成員除了發(fā)揮磷酸鹽吸收的重要功能以外，還參與了無機(jī)磷從根系到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。在水稻中發(fā)現(xiàn)OsPHT1;2是低親和的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，在正常供磷條件下主要在葉片中表達(dá)。而在缺磷條件下在初生根和側(cè)根及葉片中強(qiáng)烈表達(dá)，該基因突變后的植株地上部的無機(jī)磷含量降低，預(yù)示著OsPHT1;2可能在植株中參與無機(jī)磷從根到地上部的長距離運(yùn)輸。其他的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體是否參與根到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)還有待進(jìn)一步的試驗來證明[19]。

當(dāng)無機(jī)磷從根系轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部之后，將被分配到植物不同的器官與組織中，以滿足它們各自生長發(fā)育的需求。

2.3 水稻地上部無機(jī)磷的分配

植物生長發(fā)育所需要的元素 (金屬元素和非金屬元素) 由根系從外界吸收進(jìn)來后，這些元素通過木質(zhì)部被加載到地上部，隨后這些元素將被分配到植物不同的器官與組織中，以滿足植物自身生長發(fā)育的需求[50]。

在禾本科植物中，地上部中元素的分配主要在節(jié)中進(jìn)行。禾本科植物如水稻和大麥中，節(jié)是莖、葉片、腋芽的連接處。水稻的主分蕖中含有大概15個節(jié)，節(jié)中含有發(fā)育非常成熟的維管束，軸向劃分為分散維管束 (diffuse vascular bundles，DVB)、運(yùn)輸維管束 (transit vascular bundles, TVB) 和大維管束(enlarged vascular bundles, EVB)，EVB 隨后延伸到葉片維管束。大維管束被許多的分散維管束所包圍，在大維管束和分散維管束之間的是薄壁細(xì)胞層，其特點是含有豐富的胞間連絲。節(jié)的這些特點是保證不同元素從大維管束到分散維管束的維管束內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)過程的順利進(jìn)行，而且不受到蒸騰速率的影響。為了完成維管束內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，將營養(yǎng)元素從大維管束轉(zhuǎn)運(yùn)到分散維管束，至少需要以下三步來完成：第一步，將營養(yǎng)元素從木質(zhì)部卸載并轉(zhuǎn)移到大維管束；第二步，通過質(zhì)外體或者共質(zhì)體途徑將營養(yǎng)元素穿過薄壁細(xì)胞層；第三步，營養(yǎng)元素被重新裝載到分散維管束的木質(zhì)部或韌皮部。大維管束負(fù)責(zé)將營養(yǎng)元素運(yùn)輸?shù)絼θ~等成熟的器官中，而分散維管束負(fù)責(zé)將營養(yǎng)元素運(yùn)輸?shù)叫氯~和穗等發(fā)育中的器官中[50–51]。OsLsi6 作為水稻節(jié)中硅 (Si) 分配的轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要在節(jié)大維管束的木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞和薄壁細(xì)胞中表達(dá)，負(fù)責(zé)將硅從大維管束的木質(zhì)部中卸載，并優(yōu)先分配到谷粒中[52–53]；OsFRDL1作為水稻節(jié)中檸檬酸鹽的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要在節(jié)的薄壁細(xì)胞層中表達(dá)，負(fù)責(zé)將鐵元素 (Fe) 以鹽溶解形式優(yōu)先分配到穗中[54]；OsHMA5作為銅元素 (Cu) 的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要在分散維管束的木質(zhì)部區(qū)域表達(dá)，負(fù)責(zé)銅元素的木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)，以避免其在節(jié)中積累過度導(dǎo)致水稻中毒[55]。

水稻的節(jié)參與無機(jī)磷在地上部的分配。最近報道發(fā)現(xiàn)了一個在水稻節(jié)中表達(dá)豐富的基因SPDT(SULTR-like phosphorus distribution transporter)，該基因?qū)儆诹蛩猁}轉(zhuǎn)運(yùn)體家族的一員，其表達(dá)受缺磷誘導(dǎo)，而不受外界硫供給水平的影響。亞細(xì)胞定位分析表明SPDT蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)膜，具有無機(jī)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。在正常無機(jī)磷的供給條件下，突變體spdt與野生型的生長狀態(tài)及地上部與根的無機(jī)磷含量都沒有明顯的差異，然而在突變體中無機(jī)磷含量的分布發(fā)生了改變，與野生型相比較，突變體中谷粒和新葉的無機(jī)磷含量顯著下降，而老葉和種子外殼中無機(jī)磷含量增加。SPDT主要在節(jié)大維管束的木質(zhì)部、分散維管束的木質(zhì)部及兩者間的薄壁細(xì)胞中表達(dá)，是水稻節(jié)中磷素分配到谷粒的開關(guān)。SPDT負(fù)責(zé)將磷素從木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到韌皮部和從大維管束轉(zhuǎn)運(yùn)到分散維管束，首先將磷素從大維管束的木質(zhì)部卸載，然后通過薄壁細(xì)胞組織轉(zhuǎn)運(yùn)到分散維管束的木質(zhì)部，再由分散維管束轉(zhuǎn)運(yùn)到韌皮部，最后運(yùn)輸?shù)叫氯~和穗中；而spdt突變將導(dǎo)致磷素?zé)o法從大維管束的木質(zhì)部卸載，使得運(yùn)輸?shù)叫氯~和穗的無機(jī)磷滯留在木質(zhì)部，老葉和種皮中的磷含量增加，這些都說明SPDT的主要功能是將無機(jī)磷優(yōu)先地分配到發(fā)育的新葉和谷粒中[56]。未來繼續(xù)發(fā)掘位于節(jié)的磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，將幫助我們進(jìn)一步了解磷素在水稻地上部的分配過程。

水稻中大概有60%～85%的總磷最終被轉(zhuǎn)運(yùn)到種子里，在水稻的種子中大部分的磷最終以植酸 (肌醇六磷酸) 的形式儲存。植酸不僅影響稻米的營養(yǎng)品質(zhì)，而且無法被人體直接吸收利用，最終大部分的植酸被釋放到環(huán)境中。因此，降低水稻種子的總磷的積累和植酸的含量將有助于減少磷肥的施用，同時緩解富營養(yǎng)化對環(huán)境的影響。在水稻中，SPDT作為節(jié)中磷素分配到谷粒的開關(guān)，該基因敲除突變體植株中磷含量并沒有發(fā)生改變。相對于野生型而言，突變體種子中總磷的含量減少，而種皮中的磷含量增加；同時種子中植酸的含量減少，但這并沒有影響種子的正常萌發(fā)和早期的生長發(fā)育。這些結(jié)果為我們揭示了水稻中種子磷分配過程的分子機(jī)制，未來繼續(xù)發(fā)掘位于節(jié)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，將幫助我們進(jìn)一步了解磷素在水稻地上部的分配過程[56]。

在擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)PHO1在發(fā)育種子的合點種皮 (chalazal seed coat，CZSC) 中有表達(dá)，處于發(fā)育階段的種子中種皮的磷含量在pho1突變體中是野生型的兩倍, 種子磷含量在突變體中減少，且以CZSC特異性啟動子驅(qū)動PHO1表達(dá)能夠回復(fù)pho1/phoh1雙突變體種子中磷的調(diào)運(yùn)能力，這些結(jié)果都說明AtPHO1;1可能參與介導(dǎo)磷從種皮向胚的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。但在水稻中與AtPHO1;1同源的基因是否也有類似的功能，仍有待進(jìn)一步的研究去證明[57]。

水稻中OsPHT1;8除了有磷酸鹽吸收的功能以外，還可能參與無機(jī)磷從穗到種子的轉(zhuǎn)運(yùn)。與野生型相比，Ospht1;8突變體的穗中磷含量增加，而種子中的磷含量減少，表明該基因突變后可能影響了磷從穗到種子的轉(zhuǎn)運(yùn)[18]。PHT1家族另一個成員OsPHT1;4除了參與磷酸鹽的吸收和從根到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)以外，還介導(dǎo)了籽粒期胚中磷的積累和種子中植酸的生物合成。Ospht1;4突變后影響了水稻穗的發(fā)育、籽粒的灌漿、結(jié)實率、千粒重，以及胚的形成和種子的萌發(fā)，這些結(jié)果都揭示了OsPHT1;4在磷酸鹽的吸收和調(diào)運(yùn)以及在穗和種子的發(fā)育中都起到重要作用[21]。

葉片的衰老是葉片生長發(fā)育的最后的一個階段，葉片的衰老實現(xiàn)了營養(yǎng)物質(zhì)的再利用。在葉片衰亡之前，儲存在衰老葉片中的營養(yǎng)元素會被重新分配到正在生長的葉片和種子中。因此，衰老葉片中的營養(yǎng)元素向正在生長發(fā)育的組織的轉(zhuǎn)移和再利用對于植物的生長發(fā)育是非常重要的。但是，目前對于老葉中磷素向新葉轉(zhuǎn)移和再利用的機(jī)制還研究較少。水稻中一個紫色酸性磷酸酶OsPAP26在葉片衰老時表達(dá)被強(qiáng)烈誘導(dǎo)。OsPAP26增強(qiáng)表達(dá)后顯著提高了酸性磷酸酶的活力，導(dǎo)致更多的有機(jī)磷被分解為無機(jī)磷；與野生型相比增強(qiáng)表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株中衰老葉片的磷含量減少，而發(fā)育中新葉的磷含量增加，說明OsPAP26增強(qiáng)表達(dá)后促進(jìn)了無機(jī)磷由衰老葉片往新葉中的轉(zhuǎn)運(yùn)[58–59]。表1所示為水稻中參與磷吸收和儲存、分配、再利用的基因。

3 展望

對植物細(xì)胞而言，液泡是最主要儲存無機(jī)磷的細(xì)胞器，當(dāng)植物處于缺磷狀態(tài)時其儲存的無機(jī)磷可以迅速地從液泡中輸出，以維持細(xì)胞內(nèi)部無機(jī)磷的平衡。事實上，正常生長的植物體內(nèi)大于90% 的無機(jī)磷儲存在液泡中，液泡受損將直接影響到植物對于無機(jī)磷的積累的能力。盡管液泡在植物無機(jī)磷的積累中非常重要，但如何調(diào)控液泡中無機(jī)磷的輸入與輸出以達(dá)到磷平衡的機(jī)制尚不清楚。目前在擬南芥中發(fā)現(xiàn)液泡膜定位的無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白SPXMFS1 (PHT5;1) 對于液泡中無機(jī)磷積累和積極應(yīng)對外界環(huán)境中無機(jī)磷的改變起到關(guān)鍵作用，但對水稻中SPX-MFS家族成員的功能研究還需要進(jìn)一步的實驗來驗證，同時尋找水稻液泡磷輸出的轉(zhuǎn)運(yùn)體對于了解植物如何維持細(xì)胞內(nèi)無機(jī)磷的平衡的機(jī)制尤其重要。

表1 水稻中參與磷吸收和儲存、分配、再利用的基因Table 1 Genes involved in the Pi uptake, storage, redistribution and remobilization in rice

目前對磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究主要集中在其對磷酸鹽的吸收功能，而對磷素在植物體內(nèi)的儲存、分配和再利用的分子機(jī)制還不清楚。節(jié)是重要的調(diào)控營養(yǎng)元素分配的器官，但目前只有一個SPDT的功能被報道，未來繼續(xù)發(fā)掘位于節(jié)的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，將幫助我們進(jìn)一步了解磷素在水稻地上部的分配過程。通過對水稻中PHT1家族成員的表達(dá)模式分析，發(fā)現(xiàn)其中OsPHT1;1、OsPHT1;2、OsPHT1;4、OsPHT1;8在地上部都有表達(dá)，推測其除了負(fù)責(zé)吸收外界的無機(jī)磷以外，還可能參與到了從根到地上部、地上部不同葉片、不同組織器官間的無機(jī)磷的調(diào)運(yùn)。已知OsPAP26除了能促進(jìn)水稻對外界有機(jī)磷的利用，還參與無機(jī)磷從衰老葉片往新葉中的轉(zhuǎn)運(yùn)。水稻中衰老葉片可以將營養(yǎng)元素 (包括磷素) 重新調(diào)運(yùn)到正在發(fā)育的組織器官中以滿足植物正常生長的需求，但這一過程的分子調(diào)控機(jī)制還不清楚，且該過程中是否還有磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體的參與，需要進(jìn)一步的實驗來證明。綜上所述，未來的研究重點在于解析水稻體內(nèi)磷素分配和再利用的分子機(jī)制，為培育磷高效利用的水稻等重要農(nóng)作物提供新的依據(jù)。