吳佩 李浩 早浩龍 王宇蘊(yùn) 楊建立 湯利 范偉，3

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2. 浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 植物生理學(xué)與生物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)西南中藥材種質(zhì)創(chuàng)新與利用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心 云南省藥用植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201）

酸性土壤約占世界潛耕性土壤的50%，其存在諸多養(yǎng)分限制因子，如磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）的缺乏和鋁（Al）、錳（Mn）的過(guò)量［1-2］。其中，缺P(pán)與Al毒通常相互關(guān)聯(lián)，因而代表了酸性土壤上限制作物生產(chǎn)的兩大營(yíng)養(yǎng)逆境因子［3-4］。作為必需營(yíng)養(yǎng)元素，P在植物生長(zhǎng)發(fā)育中起重要作用，包括脂質(zhì)和核酸等結(jié)構(gòu)成分的形成，以及參與多條代謝酶促反應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。雖然總P在多數(shù)土壤中是豐富的，但可溶性P常常難以滿足植物的需求，特別是在Fe、Al和Mn含量豐富的酸性土壤中，P容易被這些元素固定。另一方面，當(dāng)土壤pH低于5.5時(shí)，難溶性的礦物態(tài)Al可轉(zhuǎn)化為可溶性的離子態(tài)Al（以Al3+為主），導(dǎo)致植物根生長(zhǎng)受抑制，阻礙對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收［5］。雖然增施P肥可通過(guò)增加P的有效性和降低Al活度來(lái)提高酸性土壤中作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，但P肥的利用率非常低（當(dāng)季利用率僅為10%-25%）。幸運(yùn)的是，不同植物和同一植物不同基因型間存在巨大的遺傳變異。因此，通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)和分子輔助育種提高作物P營(yíng)養(yǎng)和Al抗性是今后培育“智能”作物品種的有效途徑。

在過(guò)去20多年間，關(guān)于缺P(pán)條件下植物P的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、分配利用以及信號(hào)調(diào)控研究已在擬南芥［Arabidopsis thaliana（L.）Heynh.］、水稻（Oryza sativL.）和白羽扇豆（Lupinus albusL.）等模式植物中取得較大進(jìn)展［6-7］。同樣，從水稻、小麥（Triticum aestivumL.）、 高 粱［Sorghum bicolor（L.）Moench.］和擬南芥中也篩選出一系列抗Al基因，建立了植物抗Al分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的最新模型［8-9］。然而，抗Al基因可能對(duì)P營(yíng)養(yǎng)具有多效性影響，表明在多重脅迫共存的酸性土壤中存在抗Al基因的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制。為此，本文系統(tǒng)綜述了酸性土壤中調(diào)控植物抗Al和P營(yíng)養(yǎng)協(xié)同進(jìn)化機(jī)制的研究進(jìn)展，提出了抗Al基因應(yīng)用于酸性土壤作物改良，以及通過(guò)改變根發(fā)育和根構(gòu)型來(lái)維持酸性土壤中良好P狀況和作物生產(chǎn)力的可能性。

1 有機(jī)酸在酸性土壤缺P(pán)和Al毒脅迫應(yīng)答中的作用

根伸長(zhǎng)抑制是植物Al毒最明顯的原初癥狀，被廣泛作為Al毒的衡量指標(biāo)［9］。植物在長(zhǎng)期適應(yīng)Al毒時(shí)已進(jìn)化出一系列內(nèi)部耐受和外部排斥的抗Al機(jī)制。其中，誘導(dǎo)根尖有機(jī)酸釋放，對(duì)Al進(jìn)行外部螯合的解毒機(jī)制被認(rèn)為是大多數(shù)植物最主要的耐Al機(jī)制（圖1）［9］。如表1所示，雖然Al誘導(dǎo)不同植物分泌的有機(jī)酸種類(lèi)不同，但主要為蘋(píng)果酸、檸檬酸和草酸，而且大部分分泌部位都位于根尖。迄今為止，控制Al誘導(dǎo)蘋(píng)果酸和檸檬酸分泌的基因在大部分物種中均被解析，但控制草酸分泌的基因仍未見(jiàn)報(bào)道。而且，除了小麥和大麥分泌的檸檬酸為組成型外，其他有機(jī)酸的分泌均受Al誘導(dǎo)。相對(duì)于Al，P在土壤中的擴(kuò)散緩慢，植物大多通過(guò)擴(kuò)大根系與土壤的接觸面來(lái)提高對(duì)P的攝入。同時(shí)，根際釋放的有機(jī)酸可增加螯合態(tài)P的釋放和有效性（圖1）。與Al脅迫相比，不同植物缺P(pán)條件下分泌的有機(jī)酸種類(lèi)和部位更為復(fù)雜，除了大豆［Glycine max（L.）Merr.］、橙子（Citrus sinensisL.）和擬南芥中控制蘋(píng)果酸分泌的基因被解析外，其他研究仍停留在生理層面（表1）。與此同時(shí)，越來(lái)越多研究證明，根系分泌有機(jī)酸越多，植物的抗Al性和P利用率越高。Tan等［49］發(fā)現(xiàn)外源添加P可減輕Al毒害，推測(cè)P能改善Al脅迫下植物的根形態(tài)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)吸收。Pellet等［50］認(rèn)為小麥根尖分泌磷酸鹽可能是一種潛在的耐Al機(jī)制。Dong等［51］發(fā)現(xiàn)在低P條件下，P高效大豆基因型比P低效大豆基因型具有更強(qiáng)的耐Al性。Ligaba等［52］證明與P低效葡萄（Vitis viniferaL.）品種相比，P高效葡萄品種在Al脅迫下積累和分泌的有機(jī)酸更多。Liao等［53］證實(shí)大豆在Al脅迫時(shí)分泌檸檬酸，缺P(pán)時(shí)分泌草酸，而當(dāng)兩種脅迫組合時(shí)分泌蘋(píng)果酸。Zheng等［54］研究也表明，抗Al蕎麥（Fagopyrum esculentumMoench.）品種比Al敏感品種具有更高的P利用率。

有機(jī)酸不僅在根際解Al毒和活化P，而且可以在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)Al3+的區(qū)隔化和P的釋放（圖1）。吸收動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)，Al3+能快速進(jìn)入根細(xì)胞內(nèi)。在水稻中，天然抗性相關(guān)巨噬蛋白（Natural resistance associated macrophage protein，Nramp）家族成員 Nrat1首先將Al3+轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，然后通過(guò)半型ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Half-size ABC transporter）ALS1區(qū)隔到液泡中，形成Al-有機(jī)酸復(fù)合體（圖1）［55-56］。在擬南芥中，水通道蛋白（Aquaporin）NIP1；2具有Al-蘋(píng)果酸雙向轉(zhuǎn)運(yùn)活性，可介導(dǎo)Al-蘋(píng)果酸從根細(xì)胞壁進(jìn)入共質(zhì)體中，并將Al裝載到木質(zhì)部中實(shí)現(xiàn)根向地上部的運(yùn)輸（圖1）［57］。細(xì)胞內(nèi)的螯合解毒不僅有效降低Al3+對(duì)根細(xì)胞的傷害，還可從Al-P沉淀中釋放出更多的可溶性P供細(xì)胞代謝所需（圖1）。另外，液泡中的有機(jī)酸還可作為配體取代與金屬離子（如Ca2+和Fe2+）結(jié)合的P，從而促進(jìn)P的釋放以及向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。在水稻中，這一過(guò)程由2個(gè)定位于液泡膜的無(wú)機(jī)P轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Vacuolar phosphate efflux transporter，VPE）OsVPE1和OsVPE2所介導(dǎo)（圖 1）［58］。

圖1 有機(jī)酸在酸性土壤解Al毒和P活化中的作用（依據(jù)參考文獻(xiàn)［10，30，55-58，63-64］繪制）

2 植物適應(yīng)缺P(pán)和Al毒的分子機(jī)制

2.1 蘋(píng)果酸和檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

小麥Al激活蘋(píng)果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Aluminum-activated malate transporter，ALMT）基因TaALMT1是第一個(gè)被克隆的耐Al基因［10］。TaALMT1和AtALMT1（擬南芥直系同源基因）共同編碼介導(dǎo)根尖蘋(píng)果酸分泌的陰離子通道蛋白（圖 1）［15，59-60］。雖然TaALMT1和AtALMT1在無(wú)Al3+情況下也具有轉(zhuǎn)運(yùn)活性，但經(jīng)Al3+刺激能增強(qiáng)轉(zhuǎn)運(yùn)活性［15，59］。這種所謂的“Al激活”類(lèi)似于配體-門(mén)控通道，Al與ALMT蛋白的結(jié)合有利于其開(kāi)放狀態(tài)的構(gòu)象變化，從而促進(jìn)蘋(píng)果酸的轉(zhuǎn)運(yùn)。目前，雖然Al與ALMT結(jié)合的具體機(jī)制仍不清楚，但蛋白中存在的幾個(gè)結(jié)構(gòu)域可能與Al介導(dǎo)的ALMT活性增強(qiáng)有關(guān)［10，61-62］。有報(bào)道稱(chēng)，TaALMT1對(duì)氨基丁酸（Gamma-aminobutyric acid，GABA）也具有較高的滲透性（圖1）。GABA不僅被TaALMT1運(yùn)輸而且可以調(diào)控TaALMT1的活性［63-64］。與ALMT1不同，Al誘導(dǎo)的檸檬酸分泌轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白屬于多種藥物和毒性成分運(yùn)出（Multidrug and toxic compound extrusion，MATE）家族亞組，最初通過(guò)圖位克隆從高粱（SbMATE）［30］和大麥（Hordeum vulgareL.）（HvAACT1）［65］中被鑒定。隨后在擬南芥（AtMATE1）［16］、玉米（Zea maysL.）（ZmMATE1）［26］、小麥（TaMATE）［11-12］、飯豆［Vigna umbellate（L.）Sweet.］（VuMATE1 和 VuMATE2）［31-32］和水稻（Os-FRDL2和 OsFRDL4）［27，66］中發(fā)現(xiàn)同源蛋白。與ALMTs不同，MATEs介導(dǎo)pH依賴的檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)，且不被 Al3+激活［26，30-32］。2007 年，Doshi等［67］在爪蟾和酵母細(xì)胞2套系統(tǒng)中證實(shí)，高粱SbMATE底物識(shí)別更加廣泛，不僅可轉(zhuǎn)運(yùn)檸檬酸，還可以轉(zhuǎn)運(yùn)乙酰亞胺。

植物P利用率與ALMTs和MATEs表達(dá)的相關(guān)性已在大豆和小麥中被驗(yàn)證。在大豆P高效基因型HN89中，缺P(pán)誘導(dǎo)GmALMT1的上調(diào)表達(dá)可增加蘋(píng)果酸的釋放［36］。在大麥中過(guò)量表達(dá)小麥TaALMT1能提高酸性土壤作物的P吸收和籽粒產(chǎn)量［68］，這在很大程度上歸因于TaALMT1介導(dǎo)的抗Al性在酸性土壤中維持了根系的正常生長(zhǎng)。同時(shí)，TaALMT1過(guò)表達(dá)大麥植株單位根系的P吸收量也增大，表明釋放到根際的蘋(píng)果酸推動(dòng)了土壤P的活化和吸收［68］。進(jìn)一步說(shuō)明植物P有效性和抗Al性可能是通過(guò)ALMT的環(huán)境選擇共進(jìn)化的。隨著研究的進(jìn)一步深入，2種脅迫以調(diào)控根系發(fā)育為中心點(diǎn)的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制正被人們不斷揭示。

2.2 STOP1/ALMT1的多效性調(diào)控

擬南芥C2H2鋅指轉(zhuǎn)錄因子（Sensitive to proton rhizotoxicity，STOP1）AtSTOP1［69］和水稻直系同源蛋白（Al resistance transcription factor 1）OsART1［70］參與了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)調(diào)控。其中，OsART1通過(guò)調(diào)控包括OsNrat1（Nramp aluminum transporter 1）、OsMGT1（Magnesium transporter 1）和OsFRDL4（Ferric redutase defective 4）在內(nèi)的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因參與水稻的抗 Al性［27，55，71］。同樣，AtSTOP1 通過(guò)調(diào)控AtALMT1、AtMATE1和AtALS3（一個(gè)推測(cè)的Al3+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）的表達(dá)參與擬南芥對(duì)Al的抗性［16，69］。2017年，有研究發(fā)現(xiàn)，STOP1/ALMT1的作用并不僅局限于Al抗性上，還直接參與了缺P(pán)引起的根構(gòu)型（Root system architecture，RSA）變化［47-48］。在缺P(pán)條件下，LPR1（Cell wall-targeted ferroxidase）/PDR2（P5-type ATPase）可誘導(dǎo)Fe3+和活性氧（reactive oxygen species，ROS）在根質(zhì)外體中積累，進(jìn)而導(dǎo)致胼胝質(zhì)沉積和主根生長(zhǎng)抑制（圖2）［72］。進(jìn)一步

研究表明，STOP1/ALMT1是缺P(pán)誘導(dǎo)主根伸長(zhǎng)抑制所必需的［48］。缺P(pán)能上調(diào)ALMT1的表達(dá)，且外源添加蘋(píng)果酸可回復(fù)almt1和stop1突變體根系缺P(pán)的不敏感表型［48］。在缺P(pán)條件下，STOP1通過(guò)調(diào)控ALMT1向根際分泌蘋(píng)果酸，而LPR1將Fe2+氧化為Fe3+，蘋(píng)果酸通過(guò)與Fe3+螯合促進(jìn)Fe在根尖分生組織中積累，并激活ROS爆發(fā)（圖2）［48］。積累的ROS可誘導(dǎo)細(xì)胞壁僵硬和增厚來(lái)抑制細(xì)胞伸長(zhǎng)［48］，也可誘導(dǎo)胼胝質(zhì)沉積來(lái)阻礙SHORT-ROOT（SHR）轉(zhuǎn)錄因子的細(xì)胞間移動(dòng)，最終導(dǎo)致根尖分生組織衰竭和主根生長(zhǎng)抑制（圖2）［48，72］。另外，蘋(píng)果酸-Fe3+螯合物可在藍(lán)光下發(fā)生光芬頓反應(yīng)（Fenton reaction）產(chǎn)生游離的Fe2+，F(xiàn)e2+進(jìn)一步與質(zhì)外體中受LPR1調(diào)控的過(guò)氧化氫（H2O2）結(jié)合產(chǎn)生羥基自由基（·OH）和Fe3+，從而抑制主根生長(zhǎng)（圖2）［73］。由于缺P(pán)誘導(dǎo)的側(cè)根發(fā)生增強(qiáng)與主根生長(zhǎng)抑制是同時(shí)發(fā)生的［74］。因此，ALMT1可通過(guò)增加總根表面積來(lái)擴(kuò)大P向根表擴(kuò)散，最終增加根系對(duì)P的吸收。

表1 不同物種應(yīng)答Al脅迫和缺P(pán)的有機(jī)酸分泌模式

2.3 STAR1/ALS3的多效性調(diào)控

ALS3和 STAR1（Sensitive to Al rhizotoxicity1）是缺P(pán)反應(yīng)導(dǎo)致根生長(zhǎng)變化的另一組抗Al基因［75-76］。Larsen等［77］發(fā)現(xiàn)擬南芥als3突變體的Al敏感與Al吸收增強(qiáng)無(wú)關(guān)。圖位克隆發(fā)現(xiàn)，ALS3是一個(gè)定位于根皮層、葉鞘和韌皮部細(xì)胞質(zhì)膜的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［75］，推測(cè)ALS3可能以一種特定的方式將Al從敏感組織移除，從而賦予了植株抗Al性。通常，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包含一個(gè)核苷酸（ATP）結(jié)合結(jié)構(gòu)域和一個(gè)跨膜（TM）結(jié)構(gòu)域，而ALS3和同源的細(xì)菌金屬抗性蛋白ybbM都不具有ATP結(jié)合域（ABC轉(zhuǎn)運(yùn)活性所必需）。有意思的是，擬南芥另一個(gè)僅含ATP結(jié)構(gòu)域而缺乏TM結(jié)構(gòu)域的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子AtSTAR1也參與Al的抗性［76］。在水稻中，AtSTAR1的直系同源蛋白OsSTAR1（含有ATP結(jié)構(gòu)域）與OsSTAR2（ALS3直系同源蛋白，含有TM結(jié)構(gòu)域）被證實(shí)通過(guò)形成ABC轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體向細(xì)胞壁轉(zhuǎn)運(yùn)UDP-葡萄糖來(lái)修飾細(xì)胞壁從而賦予Al抗性［78］。推測(cè)擬南芥AtSTAR1也可能與ALS3（提供TM結(jié)構(gòu)域）形成AtSTAR1/ALS3復(fù)合體來(lái)介導(dǎo)Al耐性［76］。然而，Dong等［79］研究卻認(rèn)為，AtSTAR1和ALS3的復(fù)合體定位于液泡膜上，且沒(méi)有UDP-葡萄糖和P的轉(zhuǎn)運(yùn)活性。由于外源UDP-葡萄糖能夠恢復(fù)缺P(pán)條件下atstar1和als3突變體的根生長(zhǎng)。因此，仍然有理由相信ATSTAR1/ALS3可通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞壁代謝來(lái)介導(dǎo)缺P(pán)和抗Al響應(yīng)。最近研究證實(shí)，蕎麥FeSTAR1和FeSTAR2能發(fā)生互作，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)UDP-葡萄糖參與細(xì)胞壁多糖代謝來(lái)影響蕎麥的抗Al性［80-81］。

圖2 缺P(pán)（紫線）和Al毒（黑線）誘導(dǎo)主根生長(zhǎng)抑制機(jī)制模型

有意思的是，STOP1/ALMT1和STAR1/ALS3介導(dǎo)的多效性調(diào)節(jié)有明顯的共性，即這兩種途徑都涉及缺P(pán)響應(yīng)與Fe穩(wěn)態(tài)間的信號(hào)交互。在缺P(pán)條件下，LPR突變體根中Fe積累減少，對(duì)缺P(pán)不敏感［48，72，79］。然而，由于 AtSTAR1/ALS3 通路中有UDP-葡萄糖，可逆轉(zhuǎn)Fe的過(guò)度積累，從而回復(fù)缺P(pán)條件下als3突變體的短根表型（圖2）［79］。與atmt1和stop1突變體不同，als3突變體在缺P(pán)條件下表現(xiàn)出主根生長(zhǎng)抑制增強(qiáng)［79］。最新研究表明，ALS3/STAR1在STOP1/ALMT1和LPR1上游來(lái)控制缺P(pán)誘導(dǎo)的主根生長(zhǎng)，而且ALS3/STAR1可以通過(guò)抑制STOP1蛋白在核中的積累來(lái)抑制STOP1/ALMT1途徑（圖2）［82］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這主要依賴于Fe能抑制缺P(pán)條件下RAE1（a F-box protein）介導(dǎo)的26S蛋白酶體對(duì)STOP1的降解（圖2）［83］。另外，在缺P(pán)條件下，als3突變體中STOP1的過(guò)度積累依賴于Fe和Al3+，表明Fe2/3+和Al3+可以以類(lèi)似的方式增加STOP1的穩(wěn)定性及在細(xì)胞核中的積累，以激活A(yù)LMT1的表達(dá)［84］。結(jié)果表明，STAR1/ALS3介導(dǎo)的抗Al性與P吸收間可能存在拮抗作用。綜上所述，ALMT1/STOP1和STAR1/ALS3誘導(dǎo)的根發(fā)育變化似乎是一個(gè)特異性的缺P(pán)反應(yīng)，而以Fe穩(wěn)態(tài)為中心的生理學(xué)機(jī)制可能是由ALMT1/STOP1和STAR1/ALS3介導(dǎo)不同的抗Al途徑來(lái)調(diào)控缺P(pán)條件下根尖分生組織的重塑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.4 缺P(pán)和Al毒脅迫中的激素互作

研究報(bào)道生長(zhǎng)素、乙烯、獨(dú)腳金內(nèi)脂和茉莉酸等植物激素在調(diào)控環(huán)境變化引起的根尖分生組織活性中發(fā)揮重要作用。研究表明，Al毒和P有效性可影響生長(zhǎng)素的合成和運(yùn)輸，導(dǎo)致生長(zhǎng)素分布和根系生長(zhǎng)發(fā)生改變［85-87］。擬南芥lpr突變體主根對(duì)缺P(pán)響應(yīng)的不敏感是通過(guò)生長(zhǎng)素調(diào)控實(shí)現(xiàn)的［88-90］。而且，lpr1-1 lpr2-1雙突變體也表現(xiàn)出在Al毒下增強(qiáng)主根的伸長(zhǎng)［91］，表明缺P(pán)和Al毒導(dǎo)致的主根生長(zhǎng)變化可能由共同的生長(zhǎng)素調(diào)控途徑所介導(dǎo)［90］。同時(shí)，生長(zhǎng)素受體（Transport inhibitor response 1，TIR1）和生長(zhǎng)素響應(yīng)因子（Auxin response factor，ARF）也參與缺P(pán)誘導(dǎo)的側(cè)根的發(fā)生和形成調(diào)控［92］。隨著Al濃度的增加，tir1-1單突變體和arf7-1 arf19-1雙突變體對(duì)側(cè)根密度刺激和主根生長(zhǎng)的抑制減弱，表明缺P(pán)和Al脅迫介導(dǎo)的側(cè)根發(fā)育也存在共同的生長(zhǎng)素信號(hào)通路［92］。

乙烯參與缺P(pán)誘導(dǎo)的主根生長(zhǎng)抑制、側(cè)根伸長(zhǎng)促進(jìn)和根毛形成［93-94］。Al脅迫同樣可激活主根的乙烯信號(hào)反應(yīng)，如Al誘導(dǎo)的根抑制在乙烯信號(hào)突變體etr1-3和ein2-1中被減弱（圖2）［87］。在擬南芥中，Al誘導(dǎo)主根生長(zhǎng)素在根尖過(guò)渡區(qū)（分生區(qū)向伸長(zhǎng)區(qū)的過(guò)渡區(qū)）的合成依賴于乙烯信號(hào)，并由兩個(gè)參與色氨酸依賴的生長(zhǎng)素合成關(guān)鍵酶家族基因YUCCA（YUC）和TAA所介導(dǎo)，最終導(dǎo)致主根生長(zhǎng)抑制（圖2）［95-96］。這些研究表明，依賴于乙烯信號(hào)的生長(zhǎng)素合成在介導(dǎo)Al誘導(dǎo)的主根生長(zhǎng)抑制中起著關(guān)鍵作用。然而，玉米生長(zhǎng)素運(yùn)出載體P-糖蛋白（Auxin efflux carrier P-glycoprotein，ZMPGP1）缺陷型突變體則顯示較高的根尖過(guò)渡區(qū)生長(zhǎng)素積累和Al抗性［97］。這一發(fā)現(xiàn)似乎與先前的結(jié)論相悖，生長(zhǎng)素從過(guò)渡區(qū)向伸長(zhǎng)區(qū)運(yùn)輸?shù)臏p少是導(dǎo)致Al誘導(dǎo)玉米根伸長(zhǎng)抑制的原因之一［85］。需要進(jìn)一步試驗(yàn)證據(jù)來(lái)解釋這種矛盾是由于物種或試驗(yàn)條件的差異，還是其他原因造成的。另外，在參與乙烯生物合成的12個(gè)ACS基因中，ACS2和ACS6均受到缺P(pán)和Al毒高度上調(diào)。同樣，這兩種脅迫也增強(qiáng)ACO1和ACO2的表達(dá)，表明ACS和ACO可能是導(dǎo)致擬南芥缺P(pán)和Al毒下乙烯爆發(fā)的原因之一［87，98］。

另一方面，Al脅迫誘導(dǎo)生長(zhǎng)素在根尖過(guò)渡區(qū)的積累，會(huì)引起細(xì)胞分裂素的積累，導(dǎo)致主根生長(zhǎng)抑制，表明生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素在這一過(guò)程中具有協(xié)同作用［99］。其中，細(xì)胞分裂素合成依賴于腺苷磷酸異戊烯轉(zhuǎn)移酶（Isopentenyl transferase，IPT）。在生長(zhǎng)素合成增強(qiáng)的yuc1D突變體中，Al誘導(dǎo)的IPT上調(diào)和細(xì)胞分裂素合成顯著增強(qiáng)，而在arf7/19雙突變體中這一過(guò)程則顯著降低，表明這是一個(gè)生長(zhǎng)素依賴的過(guò)程（圖2）［99］。另外，茉莉酸也被報(bào)道與缺P(pán)相關(guān)［100］。在茉莉酸信號(hào)突變體coi1-34中，缺P(pán)誘導(dǎo)的主根抑制被部分解除。因此，COI1介導(dǎo)的茉莉酸信號(hào)參與缺P(pán)條件下下主根的生長(zhǎng)抑制（圖2）［100］。而在Al脅迫下，茉莉酸信號(hào)被乙烯所調(diào)控，并通過(guò)調(diào)控微管聚合和ALMT1介導(dǎo)的蘋(píng)果酸分泌來(lái)抑制主根生長(zhǎng)（圖 2）［101］。

2.5 細(xì)胞壁相關(guān)激酶參與植物P吸收和Al耐性調(diào)控

細(xì)胞壁相關(guān)激酶（Wall-associated protein kinases，WAKs） 是 受 體 類(lèi) 激 酶（Receptor-like kinases，RLKs）/Pelle超家族中的一個(gè)亞家族。WAKs家族蛋白通常由富含半胱氨酸（Cysteinerich，Cys-rich）的半乳糖醛酸結(jié)合域（Galacturonan binding domain，GUB_Wak）、表皮生長(zhǎng)因子（Pidermal growth factor，EGF）重復(fù)序列、TM結(jié)構(gòu)域，以及胞質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸激酶域（Serine/threonine kinase domain）所構(gòu)成，可跨越質(zhì)膜并延伸至細(xì)胞壁［102］。Sivaguru等［103］發(fā)現(xiàn)Al能快速誘導(dǎo)擬南芥AtWAK1的表達(dá)，且過(guò)表達(dá)AtWAK1植株抗Al性增強(qiáng)。同樣，在擬南芥中過(guò)表達(dá)飯豆NAC轉(zhuǎn)錄因子VuNAR1可正調(diào)控WAK1的表達(dá)來(lái)降低細(xì)胞壁果膠含量，從而提高抗Al性［104］。通過(guò)關(guān)聯(lián)作圖法，Hufnagel等［105］發(fā)現(xiàn)高粱中的水稻絲氨酸/蘇氨酸受體激酶OsPSTOL1（Phosphorus-starvation tolerance 1）［106］直系同源蛋白SbPSTOL1參與了根表面積的增加，從而提高了低P土壤中高粱P的吸收和籽粒產(chǎn)量。SbPSTOL1和WAK蛋白（如AtWAK1）結(jié)構(gòu)間的相似性表明它們的抗Al功能具有相關(guān)性［103，105］。最近的研究表明，GUB_Wak結(jié)構(gòu)域中的氨基酸可與細(xì)胞壁中的果膠和低聚半乳糖醛酸共價(jià)結(jié)合［107-108］。因此，SbPSTOL1可能與WAKs一樣，作為一種受體在細(xì)胞應(yīng)答缺P(pán)的信號(hào)級(jí)聯(lián)激活中發(fā)揮作用。考慮到SbPSTOL1在促進(jìn)高粱根系生長(zhǎng)和P吸收中均發(fā)揮作用，這類(lèi)蛋白可能同時(shí)具有抗Al和增強(qiáng)P吸收的功能。

3 總結(jié)與展望

良好的根發(fā)育和根系構(gòu)型是植物抵御酸性土壤Al毒和缺P(pán)脅迫所必需的。有機(jī)酸作為酸性土壤中植物抵御Al毒和缺P(pán)的關(guān)鍵物質(zhì)，既在根際和細(xì)胞內(nèi)螯合Al，又在根際和細(xì)胞內(nèi)活化和釋放P。因此，植物內(nèi)外部機(jī)制在進(jìn)化過(guò)程中協(xié)同促進(jìn)了有機(jī)酸的合成和分泌（圖1）。最近對(duì)STOP1/ALMT1和STAR1/ALS3介導(dǎo)的多效性調(diào)控研究從分子層面給我們提供了一些交互的實(shí)質(zhì)信息，也證實(shí)了兩種脅迫確實(shí)存在一些協(xié)同調(diào)控的中樞和檢查點(diǎn)（如根發(fā)育）（圖2）。然而，這些調(diào)控更多是基于對(duì)抗Al基因的認(rèn)識(shí)拓展到缺P(pán)上的。已知的P信號(hào)途徑，比如參與根系生長(zhǎng)和P吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的PHR、SPX、PHO和PHF等核心組分［7］是否也與參與耐Al調(diào)控（特別是有機(jī)酸分泌調(diào)控）還需進(jìn)一步研究。

缺P(pán)和Al毒都可抑制主根生長(zhǎng)并促進(jìn)側(cè)根生長(zhǎng)。而植物激素，特別是生長(zhǎng)素和乙烯在調(diào)節(jié)根系響應(yīng)2種脅迫中有著重要作用（圖2）。然而，由于不同物種間生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)模式不同，且激素在促進(jìn)或抑制根生長(zhǎng)閾值上存在差異，導(dǎo)致不同物種間的根系發(fā)育變化在響應(yīng)缺P(pán)和Al毒上也不盡相同。進(jìn)一步研究激素是如何調(diào)節(jié)關(guān)鍵基因來(lái)提高抗Al性和P利用率就尤為重要。例如，水稻抗Al轉(zhuǎn)錄因子ART1調(diào)節(jié)至少30個(gè)與Al的內(nèi)外解毒有關(guān)的基因［42］。但激素是否也參與ART1調(diào)控的Al信號(hào)途徑中尚不清楚。此外，Al毒和缺P(pán)引發(fā)根系有機(jī)酸的分泌是二者之間共有的一種機(jī)制，激素是如何調(diào)節(jié)有機(jī)酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因也缺乏了解。

在酸性土壤中，研究主要集中在抗Al基因?qū)ψ魑锷a(chǎn)力的影響，但這些基因?qū)ψ魑颬利用率的多效性影響應(yīng)得進(jìn)一步關(guān)注。此外，對(duì)缺P(pán)和Al毒互作調(diào)控的認(rèn)識(shí)大多來(lái)自擬南芥，而將基礎(chǔ)研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為在育種上來(lái)創(chuàng)制作物新品種的研究還比較少。通過(guò)作物品種內(nèi)存在的遺傳變異去鑒定抗Al基因，無(wú)疑是最適合培育酸性土壤中高產(chǎn)作物的分子工具。隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)和培育出具有理想根系的“智能”作物將成為可能，實(shí)現(xiàn)酸性土壤中既能提高P利用率，又能抵抗Al毒，從根本上減少P肥消耗和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。