红光碳点以基因型依赖的方式调控甘薯中光信号介导的缺磷响应

《Rhizosphere》：Red-light carbon dots regulate the light-signal–mediated phosphate starvation response in sweetpotato in a genotype-dependent manner

　　

**摘要**

土壤有效磷（AP）缺乏严重限制了甘薯的生长和产量。作为新兴纳米材料，碳点（CDs）在调控作物营养吸收和胁迫适应方面展现出巨大潜力。然而，碳点介导的低磷耐受的调控机制及其是否表现出基因型特异性在甘薯中仍 largely 不清楚。本研究利用两种磷利用效率截然不同的甘薯基因型——磷敏感型徐薯32和低磷耐受型苏薯8，通过整合植物生理、根际功能微生物和转录组分析，系统研究了叶面喷施红光碳点（R-CDs）在水培和盆栽条件下对甘薯磷饥饿响应（PSR）的调控机制。低磷水培实验表明，叶面喷施R-CDs促进了徐薯32的根系形态发生并提高了根活性。盆栽试验中，R-CDs通过刺激特定溶磷微生物（PSMs）的增殖，提高了根际AP浓度。然而，磷转运蛋白（PHT）在转录水平受到抑制，限制了磷的高效吸收和转运，植物磷营养状况未获实质改善。相比之下，苏薯8在低磷胁迫下天生重塑其根系架构以增强磷获取能力。此外，R-CDs重构了其根际PSM群落结构，使其趋近于正常供磷条件下的群落组成。携带phoD基因的Thalassovita、Denitrobaculum以及携带pqqC基因的Ramlibacter被确定为在R-CDs处理下贡献于苏薯8低磷适应改善的关键功能类群。在转录水平上，R-CDs激活了光信号介导的PSR调控模块PHYB-PHR-PHT，在分子水平协同促进磷的吸收和利用。双因素方差分析进一步证实，R-CDs对甘薯PSR具有基因型特异性的调控效应，这挑战了纳米材料普遍改善植物磷营养的传统认知。本研究为在低磷农田中开发精准的纳米调控策略和绿色节磷甘薯栽培提供了理论支持。

**引言**

磷（P）是甘薯生长发育所必需的矿质营养元素，参与能量代谢、核酸合成、信号转导和光合碳（C）分配等基本生理过程（Zhu et al., 2023）。磷的有效性是控制甘薯根系建立、块根膨大和产量形成的限制因子（Gao et al., 1999）。越来越多的研究表明，现代农业生态系统中普遍存在一个悖论：土壤总磷含量往往较高但生物有效性低，最终导致作物磷素缺乏（Zhu et al., 2024）。低有效磷（AP）环境可触发甘薯持续的内源磷饥饿信号，不断消耗植物碳资源，并挤占原本应分配给块根淀粉合成的光合产物（Villordon and Gregorie, 2020）。因此，增强甘薯吸收和利用土壤磷的能力已成为甘薯生产和研究的当务之急。数十年的甘薯育种和栽培实践表明，仅靠传统育种和农艺管理几乎无法解决这一难题，凸显了对创新策略的迫切需求。

大量研究报告指出，植物通过多种光受体感知光信号，包括光照方向、波长、光强和光周期，从而调控胁迫响应基因的表达（Jing and Lin, 2020）。光信号介导的植物胁迫耐受性增强主要依赖于光信号通路中光敏色素下游的转录因子，如HY5、PIFs、FHY3和FAR1（Sakuraba et al., 2018）。HY5与HDA9互作，抑制热激转录因子HsfA2的表达，从而提高植物耐盐性（Yang et al., 2020）。PIF3可直接结合CBFs转录因子的启动子区域，抑制PIF3与光敏色素B（PHYB）的共降解，促进PHYB介导的冷响应和生长相关基因表达，正向调控植物耐寒性（Jiang et al., 2020）。Duan等（2021）揭示了光信号通过HY1–HY5–生长素级联调控拟南芥侧根发育的分子机制。作为调控磷饥饿响应（PSR）的核心调控蛋白，植物PHR转录因子受多种信号转录调控，包括光相关转录因子（Chen et al., 2016; Liu et al., 2017）。光信号抑制因子PIF4/5抑制PHR同源蛋白PHL1的表达（Sun et al., 2021）。据此，PHYB可通过抑制PIFs来促进磷的吸收。正性光信号转录因子HY5直接激活磷转运蛋白基因PHT1;1（Sakuraba et al., 2018），同时HY5也可作为PHR1的抑制剂（Liu et al., 2017）。此外，作为可移动长距离信号，HY5将PHYB依赖的红光信号传递至根部，诱导独脚金内酯合成，促进番茄丛枝菌根定殖和磷获取（Ge et al., 2022）。FHY3和FAR1也可靶向PHR1启动子（Liu et al., 2017）。另有研究表明，远蓝光触发转录因子HY5抑制根部LPR1的表达，促进主根生长，作为对低磷胁迫的适应性响应（Gao et al., 2021）。因此，通过光信号通路激活土壤潜在磷库，同时改善甘薯磷吸收和利用效率，是缓解农田土壤低磷有效性和实现绿色高效甘薯栽培的关键技术策略。

近年来，纳米碳点（CDs）因其出色的紫外吸收和光致发光特性，在增强作物环境胁迫耐受性方面展现出巨大潜力（Li et al., 2021a）。例如，CDs通过吸收宽谱紫外线辐射，减轻水稻中的盐诱导氧化损伤（Li et al., 2021b）。此外，CDs可重塑植物水分调节通路并增强抗氧化活性，从而提高花生（Su et al., 2018）和高粱（Dimkpa et al., 2019）的抗旱能力。CDs还可优化根系离子稳态，增强甘薯幼苗对钾和铁缺乏的适应性（Li et al., 2022）。Yang等（2022）对玉米幼苗的研究表明，叶面施用CDs显著诱导了大量根系分泌物——有机酸和渗透调节物质的分泌，其中琥珀酸、丙酮酸和甜菜碱的渗出量分别较对照增加了14.5倍、10.0倍和11.8倍。同时，根际中与养分转化有益类群（包括Pseudomonas、Sphingomonas、Nitrospira和Conocybe）的相对丰度显著富集，最终提高了玉米幼苗的矿质营养吸收并加速了生物量积累。在利用纳米材料改善植物磷营养方面，纳米硅藻土使苋菜总磷吸收量增加36%，干生物量积累增加43.4%（Pei et al., 2015）。类似地，nTiO2/ZnO显著促进根部磷吸收并提高地上部磷浓度（Wang et al., 2016）。Yin和Liu（2020）报道，施用nSiO2可显著增加土壤AP含量，从而促进水稻对磷的吸收。然而，在低磷有效性条件下，CDs介导的光信号如何调控甘薯的磷吸收和利用仍不清楚。

基于CDs的光学特性及其在调控植物生长和胁迫响应中的作用，本研究采用两种经预筛选的磷利用效率存在差异的甘薯品种，研究低磷胁迫下叶面施用CDs对以下方面的影响：(1)根系形态、生理和生化性状；(2)与高磷效率相关的核心根际微生物组；以及(3)调控光信号转导、根系发育和磷转运的关键基因转录谱。研究旨在解析叶面施用R-CDs调控甘薯PSR的机制。鉴于不同甘薯品种间低磷耐受性的显著差异，我们假设R-CDs对甘薯PSR的调控效应具有基因型依赖性。本工作为甘薯生产中的磷管理提供了科学依据，对于减少磷肥投入和推进可持续农业具有重要的理论和实践意义。

**试验材料**

供试甘薯材料为苏薯8和徐薯32。其中，苏薯8为磷高效基因型，徐薯32为磷敏感品种（Zhu et al., 2023）。红光碳点（R-CDs）的制备：将双氰胺（2.97 mmol）和邻苯二胺（5.94 mmol）溶于10 mL 10%（v/v）硫酸水溶液中。搅拌至完全溶解后，将混合液转入25 mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中进行反应。

**根系形态及生理生化特性**

在低磷胁迫下，叶面施用R-CDs显著调控了甘薯的根系生长发育（图1）。在徐薯32中，LP.CDs处理相比LP处理显著增加了根长、表面积、体积、根尖数和分叉数，增幅分别为25.85%、40.70%、33.33%、20.08%和39.09%（P<0.05）（表2）。相应地，与LP处理相比，LP.CDs处理下徐薯32的根生物量提高了80.38%（P<0.05）（图2）。对于苏薯8，我们仅观察到根数……

**讨论**

甘薯是一种地下块根作物，主要通过根系拦截获取磷酸盐（Lobet et al., 2019）。在低磷胁迫下，甘薯通过改变根系架构（如刺激根系伸长、增加侧根和根毛的密度和长度）（Nguyen and Stangoulis, 2019）或增强根际土壤中磷的生物有效性（Ham et al., 2018）来实现高效磷利用。秸秆还田、生物炭添加等农艺实践……

**结论**

在低磷条件下，R-CDs对甘薯磷营养表现出显著的基因型特异性调控效应。在磷高效基因型苏薯8中，R-CDs的长距离信号通过PHYB–PHR–PHT模块高效转导，根部磷含量增加21.95%，而根际AP保持不变。根际PSM群落同时趋近于正常供磷处理条件下的状态，表明磷营养状况的改善主要通过……

**作者贡献声明**

俞永超：调查、形式分析。张强强：形式分析。金荣：监督指导。刘明：监督指导。汤中厚：论文撰写–审阅与编辑、项目管理、概念构思。朱晓雅：论文初稿撰写、调查、资金获取、数据整理。赵鹏：调查。王晶：形式分析。

**未引用参考文献**

Halm et al., 2018; Yang et al., 2020。

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到国家自然科学基金（32301949）、江苏省自然科学基金（BK20230199）和江苏省青年人才支持项目资助。

朱晓雅 | 王晶 | 赵鹏 | 张强强 | 俞永超 | 刘明 | 金荣 | 汤中厚