近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤植物互作创新团队建立了高效的植物细胞无机磷可视化检测技术，并揭示了植物细胞无机磷分布调控的新机制，相关研究成果发表在《自然植物（Nature Plants）》上。
磷（Phosphorus，P）是植物生长发育所必需的营养元素。无论是在森林、草地、还是在农田土壤生态系统，植物高生产力（如：粮食高产、果实丰产、高效碳汇）的维持都离不开磷养分的有效供给。但是，按目前的研究分析结果显示地球不同的生态系统中都普遍存在磷限制的现象，并深刻影响着世界的粮食安全和生态安全。所以，磷限制条件下植物高生产力的维持策略与调控机制是植被生态领域和植物营养领域研究的重要课题。
植物根系主要吸收无机正磷酸盐（inorganic orthophosphate，Pi），且无机正磷酸盐也是植物体内磷素循环利用的最主要形态。当磷素充足时，植物体内无机磷含量能占到总磷的80%左右。因此，研究无机磷的细胞分布模式、信号转导和稳态调控问题是理解磷限制下植物高生产力维持机制的关键。然而，目前对植物组织细胞间无机磷的分布和储存仍不清楚，主要原因是缺乏高效的植物细胞无机磷可视化检测技术。
研究团队首先建立了高效的植物细胞无机磷可视化检测技术（Inorganic Orthophosphate Staining Assay, IOSA）（图1）。与现有检测植物组织总磷原位分布的LA-ICP-MS技术和利用荧光蛋白结合激光共聚焦荧光显微镜检测细胞无机磷的FLIPPi技术相比，体现出费用低、耗时短、操作简单、不受植物种类及组织部位限制等诸多优势。利用IOSA技术，研究人员以水稻和拟南芥为研究材料，明确了植物无机磷主要分布在叶片的叶肉细胞，根系的表皮细胞、靠近内皮层的薄壁细胞、内皮层细胞，和中柱细胞。研究还挖掘了植物磷平衡调控网络中已知磷素核心调控因子 PHRs、PHO2、PHO1、PHF1等在调控植物细胞无机磷分布方面的新功能。基于IOSA技术，研究团队也筛选了一系列水稻细胞无机磷分布变化的突变体，并克隆了一个调控水稻叶片无机磷从叶尖到叶基部不均分布的基因HPA1/OsPHO1;1。该基因在叶尖韧皮部的伴胞细胞高表达，从叶尖到叶基部的表达量逐渐降低，主要调节叶尖细胞的无机磷通过韧皮部转运输出叶片，从而有效促进叶片磷素的输出及再利用。综上，该研究建立了高效的植物细胞无机磷可视化检测技术，并测试了其潜在的运用场景，开发的新技术有望为磷养分高效利用调控机制解析开辟新赛道。
研究所已出站博士后郭美娜（现任北京林业大学生物科学与技术学院副教授）、阮文渊研究员、博士生李瑞莉和徐磊副研究员为该论文共同第一作者；博士生张倩倩，硕士生任剑豪也参与了相关研究工作。易可可研究员和阮文渊研究员为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金重点、优青、面上、中国农科院创新工程科学中心及北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01612-9
日期：2024-01-15
