揭示磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在植物磷饥饿响应中的核心作用及其对高粱磷获取效率的调控机制

本综述深入探讨了磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）在植物磷饥饿响应（PSR）中的关键作用。研究通过沉默高粱根部主要PEPC同工酶SbPPC3，首次证实其在难溶性磷酸钙（PCa）环境下通过调控琥珀酸分泌促进磷溶解的重要机制。该发现为改良作物磷获取效率（PAE）提供了特异性靶点，对应对全球磷资源短缺问题具有重要战略意义。

　　

1 引言

磷是植物必需的大量营养元素，主要以无机磷酸盐（Pi）形式被吸收。全球约70%的耕地存在磷短缺问题，且磷肥资源预计本世纪末将枯竭。土壤中约80%的磷会与金属阳离子（如Ca²⁺、Al³⁺、Fe³⁺）形成不溶性复合物，导致植物难以利用。为应对磷饥饿，植物进化出多种磷饥饿响应（PSR），包括：上调高亲和力磷转运蛋白（PHT1家族）、根际酸化、分泌有机酸阴离子（OAs）、核酸酶和酸性磷酸酶（APases），以及改变根系构型（RSA）。

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）在磷饥饿条件下被诱导表达，其通过催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）不可逆羧化生成草酰乙酸（OAA）和Pi，在碳氮互作、根系分泌等非光合代谢过程中发挥关键作用。高粱（Sorghum bicolor）作为全球第五大谷物，含有6个PEPC同工酶（SbPPC1-6），其中SbPPC3是根部主要同工酶，受铵胁迫、盐胁迫及重金属胁迫诱导表达。

2 结果

2.1 磷饥饿诱导高粱根部PEPC活性和表达

在水培实验中，比较了可溶性磷（NaH₂PO₄）、无磷（-P）和不溶性磷（Ca₃(PO₄)₂，PCa）处理对野生型（WT）高粱的影响。发现-P处理使根部PEPC活性和免疫反应性PTPC多肽增加约2倍，PCa处理诱导程度较低。SbPPC2和SbPPC3基因表达在根部显著诱导，而SbPPC4-6未检测到表达。叶片中基因诱导未导致PEPC活性增加，因光合型SbPPC1占主导。

2.2 SbPPC3是磷饥饿响应的主要PEPC同工酶

利用SbPPC3沉默株系（Ppc3-1和Ppc3-2）发现，磷处理诱导的PEPC活性上升在沉默植株中显著降低。SbPPC2表达在WT和沉默植株中类似，但SbPPC3表达在沉默株中始终处于抑制状态，表明SbPPC3是根部PEPC诱导的主要贡献者。

2.3 沉默植株在磷酸钙存在下呈现磷饥饿表型

光合参数显示，PCa处理下沉默植株的PSII最大光化学效率（Fv/Fm）显著低于WT，表明光抑制程度更高。根冠比（R/S）和花青素积累在沉默株PCa处理中显著增加，分子标记SbPHT1和SbSPX1表达在沉默株PCa条件下高于WT，证明沉默植株在难溶磷环境下遭受更严重的磷饥饿。

2.4 中枢代谢受磷饥饿影响

柠檬酸合成酶（CS）活性在WT根部-P处理中上升，而沉默株在PCa条件下CS活性更高。乌头酸酶（ACO）和异柠檬酸脱氢酶（ICDH）活性在-P处理中降低。代谢物分析显示：PEP水平在所有磷处理中急剧下降；苹果酸在WT根部-P处理中减少；琥珀酸在磷处理中降低且在沉默株中积累更少；谷氨酸和天冬氨酸在磷饥饿时积累。

2.5 SbPPC3沉默改变有机酸分泌和磷获取效率

根系分泌分析表明：柠檬酸分泌在-P条件下诱导，且沉默株分泌量更高；琥珀酸分泌在沉默株中显著低于WT；其他有机酸（谷氨酸、天冬氨酸、丙酮酸）分泌在沉默株中也减少。磷积累测量显示，沉默株在PCa条件下根部磷积累量显著低于WT，磷获取效率（PAE）降低约30%。ATP水平在沉默株对照条件下即低于WT，表明能量代谢受损。

3 讨论

本研究首次在难溶性磷存在条件下验证了PEPC在磷饥饿响应中的实际功能。SbPPC3作为根部主要应答同工酶，其沉默导致有机酸分泌谱改变（特别是琥珀酸减少），进而影响磷溶解效率。尽管柠檬酸分泌在沉默株中增加，但琥珀酸等其它有机酸的分泌减少可能共同导致PAE下降。结果表明PEPC诱导是PSR的核心组成部分，而非冗余机制。

4 结论

磷饥饿是农业生产的重大限制因素。本研究证明SbPPC3通过调控琥珀酸分泌促进难溶性磷溶解，是提高高粱磷获取效率的关键靶点。该发现为作物遗传改良提供了新方向，对可持续农业发展具有重要意义。

5 材料与方法

研究采用高粱WT（基因型P898012）和SbPPC3 RNAi沉默株系（Ppc3-1和Ppc3-2）。水培实验设置三种磷处理：可溶性磷（对照）、无磷（-P）和不溶性磷（PCa）。通过测定酶活性、代谢物含量、基因表达、有机酸分泌及磷积累等参数，综合评价磷饥饿响应。采用UHPLC-HRMS/MS分析根系分泌物，原子吸收光谱测定元素含量，qPCR分析基因表达。统计学分析采用Duncan多重比较检验。