中国农大武维华院士/陈益芳团队揭示ZmPHR1通过调控磷稳态增强玉米抗旱性的分子机制

作者：PBJ 2024/7/27 13:48:36

磷素是植物必需大量元素，是重要生物分子的组成成分，参与植物的光合作用和呼吸作用。磷素主要通过根系以无机磷形式被植物/作物吸收和利用。由于土壤的理化性质和微生物作用，无机磷容易被固定或转化为有机磷，土壤有效磷浓度极低。农业生产中常通过施用磷肥来保障作物产量和品质，但是作物的磷肥吸收和利用效率较低（Zou et al., 2022）。玉米（Zea mays L.）是全球广泛种植的重要粮食作物。玉米属于

7月22日，中国农业大学武维华/陈益芳团队在Plant Biotechnology Journal杂志上发表了题为“ZmPHR1 contributes to drought resistance by modulating phosphate homeostasis in maize”的研究论文，揭示了ZmPHR1 通过调控磷稳态增加玉米抗旱性的分子机制。

研究发现玉米基因组中存在21个基因，编码含有MYB和CC结构域的PHR蛋白，其中ZmPHR1是玉米磷信号的核心调控因子。ZmPHR1基因编辑突变体的磷含量降低，生物量降低，表现明显的低磷胁迫敏感表型；ZmPHR1过量表达株系的磷含量显著升高，尤其是叶片磷含量。多年田间测产（吉林公主岭/开放授粉）结果显示，ZmPHR1过量表达株系能稳定增产。

转录组数据显示，ZmPHR1是磷信号途径的核心调控因子，调控一系列基因表达，包括磷转运体基因、磷信号途径基因、低磷胁迫响应基因和光合基因等。有趣的是，ZmPHR1调控逆境响应基因，尤其是渗透胁迫响应基因的表达。研究还发现，玉米干旱胁迫时，磷转运体基因和磷信号途径基因较干旱响应基因更早诱导表达，说明磷素营养参与玉米抗旱。

玉米苗期干旱实验发现，zmphr1突变体对干旱敏感；ZmPHR1过量表达株系表现明显的抗旱表型：干旱胁迫下的存活率增加，叶片蒸腾减弱，叶片含水量增加等。2023年北京上庄的田间干旱实验显示，ZmPHR1过量表达株系在干旱和高温条件较亲本产量增加。

为了进一步明确ZmPHR1调控玉米抗旱的机制，选择ZmPHR1正向调控的ZmPT7的过量表达株系（Wang et al., 2020）和负调控的ZmSPX3的突变体进行干旱实验。ZmPT7过量表达株系和zmspx3突变体的叶片磷含量增加，均表现明显抗旱表型。同时，适量增施磷肥能提高野生型亲本的玉米苗期抗旱性。综上所述，该研究揭示了玉米ZmPHR1通过调控磷稳态增强玉米抗旱性的分子机制，为培育营养高效和环境广适的玉米新种质提供了理论基础和重要基因资源。

中国农业大学生物学院的博士生田梦芝和已毕业王海峰博士、田燕博士和郝杰博士为共同第一作者，陈益芳教授为通讯作者。武维华院士对课题工作给予了重要指导，陈丽梅教授、博士生郭慧玲、硕士生魏亚康和展仕豪、本科生于洪涛参与了该工作。研究工作得到国家重点研发计划（2021YFF1000500）和国家自然科学基金（32370272 和 31970273）的资助。

参考文献：

Zou, T., Zhang, X., Davidson, E.A. (2022) Global trends of cropland phosphorus use and sustainability challenges. Nature 611: 81-87.

Wang, F., Cui, P.J., Tian, Y., Huang, Y., Wang, H.F., Liu, F., Chen, Y.F. (2020) Maize ZmPT7 regulates Pi uptake and redistribution which is modulated by phosphorylation. Plant Biotechnol J. 18: 2406-2419.

原文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.14431