2021年10月12日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組在國際頂尖學術期刊《細胞》上發表題為“A Phosphate Starvation Response（PHR）-centered network regulates mycorrhizal symbiosis”的封面論文，該研究首次揭示了植物磷訊號網絡控制菌根共生的分子機制。
磷元素是植物體重要的組成成分，參與植物體內眾多酶促反應及信號轉導過程。磷酸鹽是植物從土壤中獲取磷元素的主要形式，然而磷元素主要以有機磷或難溶性鹽的形式存在於土壤中，不利於植物吸收。多數植物除了通過根系直接從土壤中吸收磷元素（根途徑）之外，還演化出與叢枝菌根真菌建立共生關係間接從環境中獲取磷元素（共生途徑）。
菌根共生是自然界中普遍存在的一種共生關係：宿主植物以脂肪酸的形式為菌根真菌提供碳源，用於其生長和繁殖（Jiang et al.，Science2017）；菌根真菌則新增宿主植物對礦質營養元素，尤其是磷元素的獲取（Sanders et al，Nature1971；Wang et al.，Molecular Plant2017）。過去50多年的研究發現：植物根據磷營養狀態調控其與叢枝菌根真菌之間的共生，研究人員稱之為菌根共生的“自我調節”（“self-regulation”nature of mycorrhizal symbiosis），但其機制未知。
研究以水稻中菌根共生相關基因的啟動子為誘餌，進行水稻轉錄因數文庫篩選，首次繪製了水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡，並驗證了多個調控叢枝菌根共生的轉錄因數。令人意外的是，磷響應轉錄因數OsPHR1/2/3處於菌根共生轉錄調控網絡的覈心位置。進一步研究發現，PHRs通過結合P1BS順式作用元件啟動菌根共生相關基因的表達，正向調控叢枝菌根共生。Osphr1/2/3三突變體中，菌根真菌不能有效定殖水稻根部皮層細胞，表明PHRs是菌根共生關鍵調控因數。
SPX是磷的感受器，通過蛋白互作抑制PHRs結合到目的基因的啟動子上，抑制低磷響應基因的表達。研究發現，水稻中的SPX1能够抑制OsPHR2啟動菌根共生相關基因的表達。PHR過量表達植株和SPX缺失突變體的菌根共生對高磷處理不敏感，表明高磷通過PHR-SPX模塊抑制菌根共生。囙此，該研究闡明了菌根共生領域植物“自我調節”這一困擾領域的重要科學問題。
為了獲取糧食的豐收，農業生產施加大量的含磷化肥，嚴重污染生態環境，是我國農業生產中亟待解决的重大問題之一。通過提高PHR基因的表達，有望達到新增水稻直接吸收磷營養和間接通過叢枝菌根共生磷營養吸收的目的，降低農業磷肥的施用，為農業生產的可持續發展提供新的方案。
分子植物科學卓越創新中心博士後石進彩為第一作者，王二濤研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中科院基礎研究青年科學家項目、中國科學院先導科技專項和國家重點研發項目的資助。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.030
水稻-叢枝菌根共生的轉錄調控網絡
Cell封面圖