馬鈴薯響應(yīng)磷脅迫機(jī)制及磷高效利用育種

王一凡，楊江偉,2，唐勛,2，晉昕，張寧,2，司懷軍,2*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅蘭州730070）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）營養(yǎng)全面，可比效益高，已成為中國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收的第四大糧食作物，其產(chǎn)業(yè)更是對部分地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用[1]。在自然環(huán)境下，馬鈴薯的生長和產(chǎn)量均會受到許多因素的限制，其中土壤無機(jī)磷水平對馬鈴薯生長發(fā)育具有重要的影響[2]。無機(jī)磷是遺傳物質(zhì)（DNA和RNA）、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物膜系統(tǒng)的重要組成成分，廣泛參與了植物生長過程中能量轉(zhuǎn)移、信號傳遞、酶促反應(yīng)調(diào)節(jié)、光合作用和呼吸反應(yīng)等許多代謝反應(yīng)過程，因此土壤中磷水平的高低會嚴(yán)重影響到馬鈴薯的正常生長發(fā)育[3,4]。大量數(shù)據(jù)表明，全球約有一半的土地?zé)o機(jī)磷含量普遍較低，而中國約2/3的耕地處于缺磷狀態(tài)[5,6]。

植物主要是通過磷酸鹽（Pi、HPO42-、H2PO4-）的形式吸收土壤中磷營養(yǎng)，相比于氮、鉀等無機(jī)元素，無機(jī)磷更容易被土壤中的陽離子和其他有機(jī)物固定形成流動性低、擴(kuò)散能力差的難溶性固態(tài)磷，故土壤中可供利用的有效態(tài)無機(jī)磷含量實際不高，這一現(xiàn)狀也是當(dāng)前制約中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[7,8]。目前，全球馬鈴薯種植業(yè)主要通過施磷肥來提高耕地磷含量以緩解土壤缺磷狀態(tài)，保證馬鈴薯產(chǎn)量穩(wěn)定，但當(dāng)季磷肥利用率普遍較低，且過量使用已造成全球磷礦石資源日漸枯竭和農(nóng)業(yè)磷污染，也加重了土壤、水和大氣環(huán)境營養(yǎng)富集化程度，對生態(tài)安全和生命健康構(gòu)成了潛在威脅[9-11]。因此，充分利用馬鈴薯自身遺傳潛力挖掘磷酸鹽生長相關(guān)的候選基因，篩選和培育耐低磷的馬鈴薯品種，是當(dāng)前降低磷污染的有效措施之一。本文綜述了馬鈴薯對磷營養(yǎng)吸收和利用的生理特性以及響應(yīng)低磷生長的相關(guān)調(diào)控機(jī)制，以期為改良和培育磷高效利用的馬鈴薯品種提供理論依據(jù)。

1 磷效率在馬鈴薯品種間存在差異

磷效率是指植物對磷的吸收率和利用率[12]。磷的吸收率是單株植物對土壤中磷的吸收能力，而磷的利用率是植物利用單位含量的無機(jī)磷通過代謝最終積累的干物質(zhì)的量[13]。研究發(fā)現(xiàn)，植物在低磷條件下會通過提高磷效率來保證正常的生長，同時磷效率也在不同物種或同一物種的不同品種間存在差異[14]。目前，磷高效基因型品種指的是磷營養(yǎng)供應(yīng)不足時產(chǎn)生更多的生物量（產(chǎn)量）或某個基因型在一定磷養(yǎng)分供給條件下，獲得高產(chǎn)或高養(yǎng)分含量的能力[15,16]。陳春霞等[17]研究表明，不同馬鈴薯品種組培幼苗存在磷效率指標(biāo)（干重、鮮重、磷吸收量和利用效率）差異。Daoui等[18]則通過田間的磷脅迫試驗發(fā)現(xiàn)，無機(jī)磷對不同品種馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量具有明顯的影響。故無機(jī)磷效率在不同基因型的馬鈴薯品種間存在吸收和利用水平的差異，磷營養(yǎng)在馬鈴薯植株的干物質(zhì)積累、根莖葉生長、組織磷積累和塊莖發(fā)育等方面具有品種差異。

2 磷對馬鈴薯生長發(fā)育的影響

馬鈴薯塊莖發(fā)育之前主要是地上主莖葉的生長和構(gòu)建，在發(fā)棵期后，植株莖葉系統(tǒng)已建立完善，積累的干物質(zhì)會主要流向匍匐莖以促進(jìn)結(jié)薯和塊莖的生長[19]。光合作用是馬鈴薯植株通過莖葉系統(tǒng)積累有機(jī)物的主要方式，會影響到塊莖的發(fā)育和最終品質(zhì)。無機(jī)磷作為光合反應(yīng)鏈中的重要元素，參與了光合磷酸化反應(yīng)的ATP合成[20]。另外，磷離子是葉綠體結(jié)構(gòu)的重要成分，影響著葉綠體的結(jié)構(gòu)功能和光合效率，是光合反應(yīng)積累有機(jī)物的重要影響因子[21]。研究表明，磷酸鹽能夠維持葉綠體胞質(zhì)pH，保證ATP合酶活性，增強(qiáng)光飽和點，降低CO2補(bǔ)償點，提高光合同化物積累和參與電荷傳遞以及調(diào)節(jié)光合反應(yīng)機(jī)制相關(guān)基因的表達(dá)[22-24]。高聚林等[25]通過研究馬鈴薯植株積累物的分配方式發(fā)現(xiàn)，磷含量在馬鈴薯塊莖發(fā)育過程中呈上升趨勢，塊莖成熟后無機(jī)磷的含量遠(yuǎn)高于其他組織和器官。另外，馬鈴薯整個生長過程中干物質(zhì)的積累量呈“S”形增長，而葉莖和塊莖中存在生長階段積累量的差異[26]。干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)，其積累和合理分配是實現(xiàn)塊莖正常發(fā)育和高產(chǎn)的保證。此外，無機(jī)磷作為核酸、磷脂、蛋白質(zhì)等的結(jié)構(gòu)與功能成分，充分地參與了生長過程中在分子和生理水平的生化反應(yīng)和基因表達(dá)調(diào)控過程，在維持馬鈴薯正常生長和響應(yīng)環(huán)境變化的調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要作用[27]。

3 磷對植株表型和代謝反應(yīng)的影響

無機(jī)磷營養(yǎng)的作用體現(xiàn)在植物生長周期的各方面，缺磷會對株型產(chǎn)生明顯的影響，在植物生長的中后期，更會限制蛋白質(zhì)的合成和修飾。此外，缺磷癥狀不僅具有植物組織特異性，還存在物種間的明顯差異。研究發(fā)現(xiàn)，玉米缺磷會出現(xiàn)禿頂、葉變紫紅、穗短小、籽粒不飽滿和幼苗生長遲緩等癥狀[28]；小麥穗會變小變少、莖基部和葉出現(xiàn)紫紅色[29]；大豆葉會變尖變窄，植株發(fā)育瘦小[30]。馬鈴薯缺磷，葉片會變皺，呈深綠色，植株矮小，葉緣朝上卷曲和葉面積縮小。缺磷時間過長會對生長造成嚴(yán)重影響，整個葉片呈紫紅色且向內(nèi)卷曲，葉片數(shù)量減少，根莖比縮小，薯塊內(nèi)部甚至出現(xiàn)鐵銹色痕跡，側(cè)根數(shù)量、根表面積和根冠比也明顯降低[31,32]。

無機(jī)磷也是細(xì)胞膜磷脂分子層的結(jié)構(gòu)成分，在維持膜的完整性和功能上具有重要作用。長時間缺磷會引起細(xì)胞膜脂的過氧化反應(yīng)，破壞膜結(jié)構(gòu)的完整性，造成細(xì)胞膜透性改變，使內(nèi)含物發(fā)生外滲[33]。馬鈴薯缺磷會引起葉綠素含量的明顯下降，直接影響著葉綠素的合成和光合反應(yīng)進(jìn)程，同時造成細(xì)胞內(nèi)活性氧累積，導(dǎo)致更多葉綠素分解[34,35]。另外，缺磷會對超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）等調(diào)節(jié)酶的表達(dá)產(chǎn)生影響，長時間的磷脅迫會使酶活性逐漸降低[36]。另外，低磷同樣影響了碳水化合物的轉(zhuǎn)化和同化物的根莖組織間的運輸，使葉中糖過度積累而引起葉片皺縮和發(fā)黃以及根組織淀粉的積累[37]，這些異常變化在玉米中同樣被發(fā)現(xiàn)[38]。長時間的磷脅迫對糖酵解、三羧酸循環(huán)和有機(jī)酸代謝通路均產(chǎn)生明顯限制作用，通路中的部分酶，如催化己糖磷酸化的尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸酶（UDP-glucose pyrophosphosphprylase，UGP）、焦磷酸酶（Pyrophosphatase，PPase）、磷酸果糖激酶（Phosphofructokinase，PFK）、參與缺氧誘導(dǎo)反應(yīng)的己糖激酶（Hexokinase，HK）等均會出現(xiàn)表達(dá)量和生理活性的降低。

4 馬鈴薯磷脅迫響應(yīng)機(jī)制的研究

4.1 馬鈴薯響應(yīng)磷脅迫的形態(tài)學(xué)和生理機(jī)理

為適應(yīng)低磷脅迫，植物也在形態(tài)特征和代謝水平上進(jìn)化出了有效的響應(yīng)機(jī)制[3,35]。當(dāng)植物處于缺磷狀態(tài)時，根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)會在相關(guān)基因調(diào)控下發(fā)生改變，主根會降低生長速度，而側(cè)根在總長度和密度方面均有明顯的再生長，以擴(kuò)大根面積來提高對磷離子的吸收[39]。研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯中與細(xì)胞生長相關(guān)的赤霉素、生長素等植物激素含量明顯上升，有效地促進(jìn)了根分生組織的分裂和根的生長。此外，光合產(chǎn)物在分配上也發(fā)生了與小麥等作物相似改變，馬鈴薯中更多的同化物流向根以促進(jìn)根系統(tǒng)的再發(fā)育[40]。另外，植株根冠比會減小，部分老葉會自動凋亡，將回收的磷輸送至新的葉莖組織再利用以緩解缺磷癥狀[41]。在生理水平上，各種磷酸酶、磷脂酶、核酸酶等水解酶的合成和分泌量會低于正常水平，以減少腺苷酸的使用，實現(xiàn)有價值的磷回收來維持細(xì)胞環(huán)境的正常磷水平[42]。馬鈴薯在短期磷脅迫下，磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶（Phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）、酸性磷酸酶（Acid phosphatase，ACP）、PPase等代謝酶的比活力會明顯升高，而糖酵解、三羧酸循環(huán)和有機(jī)酸代謝途徑中一些關(guān)鍵酶[UGP、PFK、果糖-1,6-二磷酸酶（Fructose-1,6-bisphosphatase，F(xiàn)BPase）]、NADP依賴性甘油醛-3-磷酸脫氫酶（NADP-Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase，NADP-GAPDH）和蘋果酸脫氫酶（Malatedehydrogenase，MDH）也表現(xiàn)出較高的比活力和表達(dá)量，這可能是因為缺磷刺激了相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和激酶蛋白的過量表達(dá)[43]。另外，研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥和水稻等植物根系的表皮和外皮層也能夠通過分泌特異性水解酶（AtPAP12，AtPAP26和OsPAP10c）來提高對土壤固化磷的酶解，促進(jìn)根的吸收，但馬鈴薯相關(guān)水解酶的功能鑒定尚缺乏詳細(xì)的研究[44,45]。

4.2 馬鈴薯磷脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制

轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育方面起著重要作用，其轉(zhuǎn)錄是植物調(diào)節(jié)體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的主要步驟。目前，在擬南芥和水稻等模式植物中，已鑒定了大量響應(yīng)磷脅迫的MYB、WRKY、bHLH和bZIP類轉(zhuǎn)錄因子[46-49]。其中，磷轉(zhuǎn)錄因子（Phosphate transcription factor，PTF）屬于bHLH類轉(zhuǎn)錄因子家族，能夠在植物遭受磷含量不足時明顯上調(diào)表達(dá)，通過直接和間接的調(diào)節(jié)作用來緩解磷脅迫帶來的生長限制。研究發(fā)現(xiàn)，玉米ZmPTF1，水稻OsPTF1和大豆GmPTF1的超量表達(dá)均能夠增強(qiáng)植物根冠的分蘗能力，提高植株的干物質(zhì)重和磷含量，有效地緩解缺磷生長的不良癥狀，提高植物的生存率[48]。另外，其他類型的轉(zhuǎn)錄因子（TaWRKY72b、StMYB44）也被相繼發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過各種方式調(diào)節(jié)低磷水平下植物的磷效率，保證正常的生長[50,51]。

磷轉(zhuǎn)運體（Phosphate transporter，PHT）直接影響著植物對磷營養(yǎng)的吸收，轉(zhuǎn)運和再分配。目前，已鑒定和研究了水稻、玉米、小麥、大豆、高粱等作物中PHTs基因的家族成員，他們位于植物的各個組織和細(xì)胞器，協(xié)同實現(xiàn)植物對磷營養(yǎng)的攝取和再分配[52-56]。另外，已也完整鑒定了馬鈴薯的PHTs家族成員，其中，StPHT1s成員主要參與了根和葉中磷酸鹽的移動，而StPHT3s只在磷脅迫誘導(dǎo)下會大量表達(dá)。此外，PHTs基因的表達(dá)還與脅迫時間有關(guān)，且在環(huán)境的磷水平狀態(tài)和植物組織上存在表達(dá)的特異性，能夠在磷的獲取和活化中具有多重作用[57,58]。

植物在磷脅迫下，部分次生代謝和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的基因會發(fā)生表達(dá)改變。在擬南芥、水稻和玉米中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素P450和過氧化物酶等編碼基因也出現(xiàn)了異常表達(dá)，他們通過影響代謝和光合反應(yīng)等協(xié)助植物降低磷脅迫的不利影響[59,60]。此外，磷脅迫下馬鈴薯中一些調(diào)節(jié)糖脂和鞘脂合成的關(guān)鍵基因表達(dá)量也明顯升高，如糖基轉(zhuǎn)移酶、1,2-二酰基甘油、3-β-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶、二?；视秃厦负秃它S素激酶等，這可能是由于糖脂和鞘脂能在一定程度替代磷脂維持膜的結(jié)構(gòu)和功能所致[61]。

5 磷高效利用育種展望

馬鈴薯通過攝取土壤中的磷營養(yǎng)來保證正常的生長，但土壤缺磷會對植株莖葉生長，干物質(zhì)積累和塊莖發(fā)育造成不利影響，嚴(yán)重時導(dǎo)致塊莖產(chǎn)量和質(zhì)量品質(zhì)的降低[4]。為了適應(yīng)環(huán)境限制，保持正常生長，馬鈴薯也在分子和生理水平上進(jìn)化出了復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制來緩解環(huán)境脅迫帶來的生長障礙。液泡是植物細(xì)胞中重要的儲磷庫，能夠在一定程度上進(jìn)行組織內(nèi)無機(jī)磷的轉(zhuǎn)移，維持細(xì)胞微環(huán)境中磷酸鹽的平衡。SPX-MFS作為調(diào)節(jié)液泡進(jìn)行磷酸鹽交換的關(guān)鍵控制基因，在維持植物組織磷平衡中發(fā)揮著重要功能，但目前對其在植物中具體的控制作用還研究尚少[62,63]。另外，叢植根菌是一類能夠協(xié)助根組織細(xì)胞在磷脅迫條件下提高無機(jī)磷的吸收，緩解植物缺磷生長的共生因子，但對其協(xié)助馬鈴薯響應(yīng)磷脅迫的具體機(jī)制尚不十分明確[64]。Wang等[65]試驗發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯適當(dāng)?shù)牧酌{迫能夠提高植株的抗干旱水平，這可能是磷脅迫導(dǎo)致馬鈴薯植株形態(tài)特征和生理水平代謝改變引起的，Boussiba等[66]將植物某些方面適度缺失能夠增強(qiáng)部分抗逆能力的現(xiàn)象認(rèn)為是一種交叉適應(yīng)。

磷轉(zhuǎn)運體（PHT）作為磷酸鹽吸收、轉(zhuǎn)運和分配的關(guān)鍵協(xié)助蛋白，廣泛分布于植物各組織和細(xì)胞器中。磷轉(zhuǎn)錄因子（PTF）是調(diào)節(jié)植物適應(yīng)低磷脅迫的前期調(diào)控因子，能夠與PHT在調(diào)整植物響應(yīng)磷脅迫，提高磷效率的過程中發(fā)揮著重要作用，他們的功能也已在擬南芥、水稻等植物中被大量研究[67,68]。因此，應(yīng)該對馬鈴薯PHT和PTF成員進(jìn)行詳細(xì)的鑒定和分析以研究其功能上的差異，然后利用基因工程育種的方法提高關(guān)鍵調(diào)控基因在植株磷脅迫下的表達(dá)水平，是緩解磷脅迫的有效手段。表觀性狀會受到一個或多個基因在轉(zhuǎn)錄、翻譯等水平的多層次調(diào)控。此外，使用QTL等基因標(biāo)記技術(shù)對磷酸鹽調(diào)節(jié)相關(guān)的基因進(jìn)行染色體的準(zhǔn)確定位，以便研究基因連鎖關(guān)系和遺傳規(guī)律，對育種規(guī)模和后代基因型進(jìn)行預(yù)測，提高育種效率。另外，回交和單倍體技術(shù)也是培育穩(wěn)定遺傳純合基因型品種的有效方法[69,70]。目前，對水稻、小麥等作物的磷脅迫響應(yīng)機(jī)制研究較多。因此，該綜述在參考國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，對馬鈴薯磷脅迫條件下，相關(guān)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)，并為培育和篩選磷高效利用的馬鈴薯品種提供有效的育種策略。