近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所土壤植物互作創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建立了高效的植物細(xì)胞無機(jī)磷可視化檢測技術(shù)，并揭示了植物細(xì)胞無機(jī)磷分布調(diào)控的新機(jī)制，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然植物（Nature Plants）》上。

 

　　磷（Phosphorus，P）是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。無論是在森林、草地、還是在農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)，植物高生產(chǎn)力（如：糧食高產(chǎn)、果實(shí)豐產(chǎn)、高效碳匯）的維持都離不開磷養(yǎng)分的有效供給。但是，按目前的研究分析結(jié)果顯示地球不同的生態(tài)系統(tǒng)中都普遍存在磷限制的現(xiàn)象，并深刻影響著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(diào)控機(jī)制是植被生態(tài)領(lǐng)域和植物營養(yǎng)領(lǐng)域研究的重要課題。

 

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

 

　　研究團(tuán)隊(duì)首先建立了高效的植物細(xì)胞無機(jī)磷可視化檢測技術(shù)（Inorganic Orthophosphate Staining Assay, IOSA）（圖1）。與現(xiàn)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(jié)合激光共聚焦熒光顯微鏡檢測細(xì)胞無機(jī)磷的FLIPPi技術(shù)相比，體現(xiàn)出費(fèi)用低、耗時短、操作簡單、不受植物種類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，明確了植物無機(jī)磷主要分布在葉片的葉肉細(xì)胞，根系的表皮細(xì)胞、靠近內(nèi)皮層的薄壁細(xì)胞、內(nèi)皮層細(xì)胞，和中柱細(xì)胞。研究還挖掘了植物磷平衡調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中已知磷素核心調(diào)控因子 PHRs、PHO2、PHO1、PHF1等在調(diào)控植物細(xì)胞無機(jī)磷分布方面的新功能?；贗OSA技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)也篩選了一系列水稻細(xì)胞無機(jī)磷分布變化的突變體，并克隆了一個調(diào)控水稻葉片無機(jī)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(xì)胞高表達(dá)，從葉尖到葉基部的表達(dá)量逐漸降低，主要調(diào)節(jié)葉尖細(xì)胞的無機(jī)磷通過韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞無機(jī)磷可視化檢測技術(shù)，并測試了其潛在的運(yùn)用場景，開發(fā)的新技術(shù)有望為磷養(yǎng)分高效利用調(diào)控機(jī)制解析開辟新賽道。

 

　　研究所已出站博士后郭美娜（現(xiàn)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(nóng)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(yàn)室的資助。

 

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