Plant Physiol. | 清华大学刘栋团队揭示PHR1家族四个成员在拟南芥响应低磷胁迫中的不同功能

磷元素是植物生长发育所必需的大量元素之一，但是土壤中植物能直接利用的磷酸盐浓度却远低于其所需。为了应对这一营养逆境，植物进化出了一系列响应低磷胁迫的反应来促进其对磷的吸收利用，包括根系构型的改变、根系分泌酸性磷酸酶、磷转运蛋白的表达增加、叶中积累花青素、改变胞内磷脂代谢等，而这一系列反应在很大程度上是受到转录调控的。

前人的研究发现，低磷信号通路中的核心转录因子PHR1和它的同源蛋白PHL1能形成二聚体，结合到低磷响应基因启动子上的P1BS顺式元件以改变靶基因的转录水平 （Bustos et al., 2010） 。另外，清华大学刘栋教授团队还发现该家族中的另外三个成员PHL2，PHL3，和PHL4在植物对低磷胁迫的转录响应中也起着一定作用 （Sun et al., 2016，Wang et al., 2018） 。PHL2和PHL3之间能够直接互作，并且结合在编码根表面酸性磷酸酶的AtPAP10基因启动子上激活其转录。但目前对PHR1家族中不同成员在调控拟南芥低磷响应基因表达中各自的功能并不清楚。

近日，清华大学刘栋教授团队在Plant Physiology上发表了题为“PHOSPHATE RESPONSE 1 family members act distinctly to regulate transcriptional responses to phosphate starvation”的研究论文，阐述了PHR1, PHL1, PHL2和PHL3在调控拟南芥低磷响应基因表达中的不同的功能。

该研究首先构建了PHR1家族中这四个成员的单突，双突，三突和四突变体。通过对这一系列拟南芥突变体开展表型和转录组分析，发现PHR1/PHL1与PHL2/PHL3这两对蛋白之间不存在直接的相互作用，而是构成两个相对独立的模块来调控植物的生长发育和低磷转录响应。对PHR1/PHL1这一模块而言，PHR1在调控低磷响应基因的表达上起者主导作用；而对于PHL2/PHL3，PHL2和PHL3二者的作用则近乎相同。通过分析PHR蛋白之间共同和特异调控的低磷响应基因，PHR蛋白既能作为转录激活子也可以作为转录抑制子。此外，PHR1/PHL1和PHL2/PHL3之间在调控低磷响应基因表达时也存在一些协同或拮抗作用。该研究还鉴定到大量在低磷胁迫下，野生型中的表达不受影响而在突变体中表达发生显著变化的基因，其中以和抗病反应相关的基因最为显著。以上研究增加了人们对于植物调控低磷胁迫转录响应的分子机制的理解。

清华大学刘栋教授为该论文的通讯作者，已毕业博士生王真和郑在为该论文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金和科技部基金的资助。

相关文献：

Bustos R, Castrillo G, Linhares F, Puga MI, Rubio V, Pérez-Pérez J, Solano R, Leyva A, Paz-Ares J (2010) A central regulatory system largely controls transcriptional activation and repression responses to phosphate starvation in Arabidopsis. PLoS Genet 6: e1001102

Sun L, Song L, Zhang Y, Zheng Z, Liu D (2016) Arabidopsis PHL2 and PHR1 act redundantly as the key components of the central regulatory system controlling transcriptional responses to phosphate starvation. Plant Physiol 170: 499-514

Wang, Z., Zheng, Z., Song, L., Liu, D. (2018) Functional characterization of Arabidopsis PHL4 in plant response to phosphate starvation. Frontiers in Plant Science, 9:1432. doi: 10.3389/fpls.2018.01432

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiac521