近日，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所土壤植物互作創新團隊建立了高效的植物細胞無機磷可視化檢測技術，并揭示了植物細胞無機磷分布調控的新機制，相關研究成果發表在《自然植物（Nature Plants）》上。
磷（Phosphorus，P）是植物生長發育所必需的營養元素。無論是在森林、草地、還是在農田土壤生態系統，植物高生產力（如：糧食高產、果實豐產、高效碳匯）的維持都離不開磷養分的有效供給。但是，按目前的研究分析結果顯示地球不同的生態系統中都普遍存在磷限制的現象，并深刻影響著世界的糧食安全和生態安全。所以，磷限制條件下植物高生產力的維持策略與調控機制是植被生態領域和植物營養領域研究的重要課題。
植物根系主要吸收無機正磷酸鹽（inorganic orthophosphate，Pi），且無機正磷酸鹽也是植物體內磷素循環利用的最主要形態。當磷素充足時，植物體內無機磷含量能占到總磷的80%左右。因此，研究無機磷的細胞分布模式、信號轉導和穩態調控問題是理解磷限制下植物高生產力維持機制的關鍵。然而，目前對植物組織細胞間無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機磷可視化檢測技術。
研究團隊首先建立了高效的植物細胞無機磷可視化檢測技術（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技術和利用熒光蛋白結合激光共聚焦熒光顯微鏡檢測細胞無機磷的FLIPPi技術相比，體現出費用低、耗時短、操作簡單、不受植物種類及組織部位限制等諸多優勢。利用IOSA技術，研究人員以水稻和擬南芥為研究材料，明確了植物無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絡中已知磷素核心調控因子 PHRs、PHO2、PHO1、PHF1等在調控植物細胞無機磷分布方面的新功能。基于IOSA技術，研究團隊也篩選了一系列水稻細胞無機磷分布變化的突變體，并克隆了一個調控水稻葉片無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機磷通過韌皮部轉運輸出葉片，從而有效促進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機磷可視化檢測技術，并測試了其潛在的運用場景，開發的新技術有望為磷養分高效利用調控機制解析開辟新賽道。
研究所已出站博士后郭美娜（現任北京林業大學生物科學與技術學院副教授）、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基金重點、優青、面上、中國農科院創新工程科學中心及北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01612-9
日期：2024-01-15
磷（Phosphorus，P）是植物生長發育所必需的營養元素。無論是在森林、草地、還是在農田土壤生態系統，植物高生產力（如：糧食高產、果實豐產、高效碳匯）的維持都離不開磷養分的有效供給。但是，按目前的研究分析結果顯示地球不同的生態系統中都普遍存在磷限制的現象，并深刻影響著世界的糧食安全和生態安全。所以，磷限制條件下植物高生產力的維持策略與調控機制是植被生態領域和植物營養領域研究的重要課題。
植物根系主要吸收無機正磷酸鹽（inorganic orthophosphate，Pi），且無機正磷酸鹽也是植物體內磷素循環利用的最主要形態。當磷素充足時，植物體內無機磷含量能占到總磷的80%左右。因此，研究無機磷的細胞分布模式、信號轉導和穩態調控問題是理解磷限制下植物高生產力維持機制的關鍵。然而，目前對植物組織細胞間無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機磷可視化檢測技術。
研究團隊首先建立了高效的植物細胞無機磷可視化檢測技術（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技術和利用熒光蛋白結合激光共聚焦熒光顯微鏡檢測細胞無機磷的FLIPPi技術相比，體現出費用低、耗時短、操作簡單、不受植物種類及組織部位限制等諸多優勢。利用IOSA技術，研究人員以水稻和擬南芥為研究材料，明確了植物無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絡中已知磷素核心調控因子 PHRs、PHO2、PHO1、PHF1等在調控植物細胞無機磷分布方面的新功能。基于IOSA技術，研究團隊也篩選了一系列水稻細胞無機磷分布變化的突變體，并克隆了一個調控水稻葉片無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機磷通過韌皮部轉運輸出葉片，從而有效促進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機磷可視化檢測技術，并測試了其潛在的運用場景，開發的新技術有望為磷養分高效利用調控機制解析開辟新賽道。
研究所已出站博士后郭美娜（現任北京林業大學生物科學與技術學院副教授）、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基金重點、優青、面上、中國農科院創新工程科學中心及北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01612-9
日期：2024-01-15
