近日，中國農業(yè)科學(xué)院農業(yè)資源與農業(yè)區劃研究所土壤植物互作創(chuàng )新團隊建立了高效的植物細胞無(wú)機磷可視化檢測技術(shù)，并揭示了植物細胞無(wú)機磷分布調控的新機制，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然植物（Nature Plants）》上。

 

　　磷（Phosphorus，P）是植物生長(cháng)發(fā)育所必需的營(yíng)養元素。無(wú)論是在森林、草地、還是在農田土壤生態(tài)系統，植物高生產(chǎn)力（如：糧食高產(chǎn)、果實(shí)豐產(chǎn)、高效碳匯）的維持都離不開(kāi)磷養分的有效供給。但是，按目前的研究分析結果顯示地球不同的生態(tài)系統中都普遍存在磷限制的現象，并深刻影響著(zhù)世界的糧食安全和生態(tài)安全。所以，磷限制條件下植物高生產(chǎn)力的維持策略與調控機制是植被生態(tài)領(lǐng)域和植物營(yíng)養領(lǐng)域研究的重要課題。

 

　　植物根系主要吸收無(wú)機正磷酸鹽（inorganic orthophosphate，Pi），且無(wú)機正磷酸鹽也是植物體內磷素循環(huán)利用的最主要形態(tài)。當磷素充足時(shí)，植物體內無(wú)機磷含量能占到總磷的80%左右。因此，研究無(wú)機磷的細胞分布模式、信號轉導和穩態(tài)調控問(wèn)題是理解磷限制下植物高生產(chǎn)力維持機制的關(guān)鍵。然而，目前對植物組織細胞間無(wú)機磷的分布和儲存仍不清楚，主要原因是缺乏高效的植物細胞無(wú)機磷可視化檢測技術(shù)。

 

　　研究團隊首先建立了高效的植物細胞無(wú)機磷可視化檢測技術(shù)（Inorganic Orthophosphate Staining Assay, IOSA）（圖1）。與現有檢測植物組織總磷原位分布的LA-ICP-MS技術(shù)和利用熒光蛋白結合激光共聚焦熒光顯微鏡檢測細胞無(wú)機磷的FLIPPi技術(shù)相比，體現出費用低、耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)單、不受植物種類(lèi)及組織部位限制等諸多優(yōu)勢。利用IOSA技術(shù)，研究人員以水稻和擬南芥為研究材料，明確了植物無(wú)機磷主要分布在葉片的葉肉細胞，根系的表皮細胞、靠近內皮層的薄壁細胞、內皮層細胞，和中柱細胞。研究還挖掘了植物磷平衡調控網(wǎng)絡(luò )中已知磷素核心調控因子 PHRs、PHO2、PHO1、PHF1等在調控植物細胞無(wú)機磷分布方面的新功能。基于IOSA技術(shù)，研究團隊也篩選了一系列水稻細胞無(wú)機磷分布變化的突變體，并克隆了一個(gè)調控水稻葉片無(wú)機磷從葉尖到葉基部不均分布的基因HPA1/OsPHO1;1。該基因在葉尖韌皮部的伴胞細胞高表達，從葉尖到葉基部的表達量逐漸降低，主要調節葉尖細胞的無(wú)機磷通過(guò)韌皮部轉運輸出葉片，從而有效促進(jìn)葉片磷素的輸出及再利用。綜上，該研究建立了高效的植物細胞無(wú)機磷可視化檢測技術(shù)，并測試了其潛在的運用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)的新技術(shù)有望為磷養分高效利用調控機制解析開(kāi)辟新賽道。

 

　　研究所已出站博士后郭美娜（現任北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授）、阮文淵研究員、博士生李瑞莉和徐磊副研究員為該論文共同第一作者；博士生張倩倩，碩士生任劍豪也參與了相關(guān)研究工作。易可可研究員和阮文淵研究員為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、優(yōu)青、面上、中國農科院創(chuàng )新工程科學(xué)中心及北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗室的資助。

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01612-9