《Soil & Environmental Health》：Mycorrhiza-Inducible Phosphate Transporter PvPht1;6 Enhances Phosphorus Acquisition with Host-Dependent Plant Arsenic Accumulation
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丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）促进砷（As）超积累植物蜈蚣草（Pteris vittata）中的砷积累，而非超积累植物中砷积累则减少。基于亚细胞定位和酵母中P/AsV转运活性，AMF诱导的磷酸盐转运蛋白PvPh
丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）促进砷（As）超积累植物蜈蚣草（Pteris vittata）中的砷积累，而非超积累植物中砷积累则减少。基于亚细胞定位和酵母中P/AsV转运活性，AMF诱导的磷酸盐转运蛋白PvPht1;6被认为介导蜈蚣草根-AMF界面的磷（P）和砷酸盐（arsenate，AsV）吸收。然而，其在植物体内的证据仍然缺乏。本研究首次在蜈蚣草中鉴定出另外两个AMF增强的磷酸盐转运蛋白基因PvPht1;7/1;8。这三个基因的启动子区域均含有典型的AMF响应元件，并受AMF共生诱导，其中PvPht1;6表现出最强的诱导（15倍）。为测试其在植物体内的功能，研究人员分别利用AMF诱导基因OsPT11和LePT4的启动子在水稻和烟草中表达PvPht1;6。AMF共生使PvPht1;6在水稻中的表达激活7.2–73倍，在烟草中激活7.0–26倍，而在无AMF条件下其表达几乎检测不到。在AMF共生下，PvPht1;6使水稻地上部磷浓度提高16–41%，烟草提高11–26%，显示出对磷获取的一致效应。其对砷积累的影响在两个宿主间存在差异。PvPht1;6使水稻地上部砷浓度提高13–38%，但对烟草影响不大。然而，烟草根部总砷积累增加1.1–1.8倍，支持PvPht1;6在砷获取中的功能。这一差异可能归因于水稻具有高效的OsLsi1/2介导的砷转运，而烟草缺乏该机制。这些结果表明，PvPht1;6可能对蜈蚣草根-AMF界面的P和As吸收有潜在贡献，而地上部砷积累进一步依赖于植物内源砷转运能力。这些发现为改善AMF辅助的磷获取和砷污染土壤中的砷植物修复提供了潜在策略。
本研究以砷超积累植物蜈蚣草（Pteris vittata）为对象，围绕菌根诱导磷酸盐转运蛋白PvPht1;6的功能展开。磷是植物必需营养元素，但土壤有效磷不足，全球分析显示施用的无机磷肥中仅9.3%–13%被植物吸收。为改善磷获取，植物与丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）形成共生关系，AMF可增加植物磷浓度平均36%。砷酸盐（arsenate，AsV）是磷的结构类似物，可通过磷转运蛋白进入根系。在砷超积累植物蜈蚣草中，AMF共生同时促进磷和砷积累，但在非超积累植物中通常降低砷积累。早前研究报道PvPht1;6定位于丛枝周膜并在酵母中转运磷和砷，但缺乏植物体内功能证据。同时，AMF根界面吸收仅是砷积累的第一步，PvPht1;6是否决定地上部砷积累尚不清楚。为此，研究人员开展了这项研究，论文发表在《Soil 》。
研究人员通过转录组数据库搜索，首次在蜈蚣草中鉴定出两个额外AMF响应基因PvPht1;7/1;8，并结合转录组、RT-qPCR、系统发育和启动子分析，确认PvPht1;6是诱导最强的AMF响应磷酸盐转运蛋白基因。为验证其植物体内功能，研究人员利用AMF诱导启动子OsPT11和LePT4，分别在转基因水稻和烟草中表达PvPht1;6，在砂培和砷污染土壤条件下测定磷/砷积累，并分析宿主间差异。主要技术方法包括：AMF接种砂培体系；RNA-seq构建蜈蚣草根部转录组数据库；RT-qPCR验证基因表达；系统发育树和启动子顺式元件（P1BS、MYCS/CTTC）分析；农杆菌介导的转基因水稻（愈伤组织法）和烟草（叶盘法）转化；电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定磷砷含量。蜈蚣草孢子采集自美国佛罗里达，保存于中山大学；砷污染土壤采自南京栖霞山，砷浓度为110 mg/kg。
### 3.1 AMF共生增强蜈蚣草的P和As积累并激活As相关基因表达
通过两个月沙培AMF接种试验，接种AMF的蜈蚣草羽状叶生物量增加24%，羽状叶磷浓度较对照增加113%，根磷增加53%；羽状叶砷浓度增加66%，根砷基本不变。羽状叶总磷和总砷积累分别增加180%和58%，根中积累无显著变化，磷和砷的转运系数分别增加63%和166%。RNA-seq共鉴定到40,581个表达基因，AMF共生上调三个Pht1基因PvPht1;6、PvPht1;7、PvPht1;8（分别上调14、2.8、2.0倍），同时上调砷还原酶基因PvHAC2（34%）、AsIII反向转运蛋白基因PvACR3（65%）和PvACR3;1（25%）。这表明AMF增强蜈蚣草砷积累伴随着磷/AsV吸收、AsV还原和AsIII转运/隔离相关基因的转录激活。
### 3.2 蜈蚣草AMF响应Pht1基因的特征
RT-qPCR验证了转录组结果，PvPht1;6在AMF共生下上调15倍，无AMF时几乎不表达；PvPht1;7/1;8上调2.9–3.9倍。系统发育分析显示，蜈蚣草Pht1蛋白与种子植物形成独立分支，PvPht1;7/1;8与已报道可转运P和AsV的PvPht1;3聚在一起，PvPht1;6与PvPht1;4接近。启动子分析发现，三个基因启动子均含有至少一个P1BS基序和MYCS/CTTC样基序，PvPht1;6启动子中P1BS和MYCS基序紧密相邻，而PvPht1;7/1;8中两个基序相距超过800 bp，这可能解释其较弱的AMF诱导水平。
### 3.3 AMF依赖的PvPht1;6表达增强水稻P/As吸收和积累
在转基因水稻中，PvPht1;6由水稻AMF诱导启动子OsPT11驱动。AMF共生使PvPht1;6表达上调7.2–73倍，无AMF时几乎检测不到。5周砂培后暴露于200 μM AsV 3天，AMF条件下转基因水稻地上部总磷积累较野生型增加39%–41%，根部增加35%–47%；地上部总砷增加36%–47%，根砷无显著变化，砷转运系数增加72%–91%。在砷污染土壤的3个月长期试验中，AMF定殖率为21%–30%且与野生型无差异，转基因水稻地上部砷浓度增加33%–49%，籽粒砷增加36%–80%，籽粒磷增加13%–16%。这些结果证明PvPht1;6在AMF依赖下增强了水稻磷和砷的获取及地上部砷积累。
### 3.4 AMF依赖的PvPht1;6表达促进烟草P/As吸收但不影响地上部As积累
在转基因烟草中，PvPht1;6由番茄AMF诱导启动子LePT4驱动。AMF共生使PvPht1;6表达上调7.0–26倍。AMF条件下转基因烟草地上部生物量较野生型增加27%，地上部总磷增加14%–32%，根部总磷增加55%–84%；根部总砷积累增加1.1–1.7倍，但地上部总砷无显著变化。尽管生物量增加有稀释效应，转基因烟草地上部磷浓度仍增加11%–26%，地上部砷浓度无显著变化。这表明PvPht1;6确实促进烟草根部砷获取，但砷被滞留于根部，未向地上部转运。
### 3.5 高效的根到地上部砷转运是AMF增强地上部砷积累所必需的
研究比较了三个AMF相关体系：蜈蚣草内源PvPht1;6、转基因水稻和转基因烟草。水稻具有OsLsi1/2介导的高效根到地上部砷转运系统，因此通过AMF界面进入的砷可继续转运至地上部；而烟草基因组中未检测到OsLsi2同源基因，内源砷转运能力有限，导致砷主要积累在根部。蜈蚣草AMF共生同时上调了AsV还原和AsIII转运/隔离基因，表明AMF增强的地上部砷积累依赖于两个关联过程：PvPht1;6介导的根-AMF界面P/As吸收，以及宿主自身高效的砷向地上部转运与隔离能力。
总结讨论部分，该研究提出一个比较模型：AMF对地上部砷积累的影响不仅取决于菌根界面Pht1转运蛋白的AsV吸收效率，还取决于宿主植物内源砷转运能力。在非超积累植物中，AMF通常降低地上部砷积累，可能由于真菌固砷和根际固定；而在蜈蚣草中，AMF协同上调吸收、还原和转运基因，从而促进砷向地上部转运。研究结论翻译如下：本研究鉴定出蜈蚣草中三个AMF响应Pht1基因PvPht1;6–1;8，其中PvPht1;7/1;8为首次报道，PvPht1;6表现出最强的AMF依赖诱导且在无AMF根中几乎不表达
