我国用7%的耕地生产了世界21%的粮食，同时消耗了全球35%的化肥，尤其磷肥单位面积使用量是世界平均水平的2倍以上，而磷肥的当季利用率却不足20%。大量施用磷肥以及土壤磷肥利用率低不仅导致了环境污染，还加剧了磷资源枯竭。当前磷肥需求量大导致磷资源危机已成为人类面临的严峻问题。因此，充分挖掘植物自身的遗传潜力，提高作物对土壤磷素的吸收利用效率是解决供磷与磷流失矛盾的有效途径。但由于植物磷利用效率属于典型的复杂数量性状，磷高效关键基因的挖掘及作用机制研究尚处于初步阶段。

近日，东北地理所大豆遗传与分子改良学科组张恒友团队与河南农业大学张丹教授、南京农业大学喻德跃教授团队在植物学领域国际顶级期刊The Plant Cell发表题为“The Myb73-GDPD2-GA2ox1transcriptional regulatory module confers phosphate deficiency tolerance in soybean”的研究论文，揭示了大豆通过Myb73-GDPD2-GA2ox1模块响应低磷胁迫的分子机制。该研究鉴定了一个新的植物磷效率调控模块，并在大豆中验证了该模块在根系发育与磷吸收利用中的调控作用，评估了其对大豆的增产潜力，为高产高效大豆新品种培育提供了信息支持。

该研究针对大豆需磷量高和土壤有效磷含量低的矛盾，从改良大豆自身遗传潜力、突破土壤缺磷及磷利用率低的瓶颈限制、进而提高磷利用效率的科学问题出发，通过整合GWAS和连锁分析，获得了一个耐低磷主效QTL基因 GmGDPD2。过表达该基因最优单倍型能显著促进根系生长发育和有机酸分泌，提高大豆对磷的吸收及大豆产量。而敲除该基因则抑制大豆根系生长并降低磷利用效率，且根系发育受阻可通过外源喷施GA合成抑制剂得到恢复。过表达和敲除其互作基因GmGA2ox1也表现出相似表型，且双突株系表型表现出叠加效应，表明两基因在应对低磷胁迫中具有协同作用。进一步研究发现上游转录因子GmMyb73可以通过结合GmGDPD2启动子抑制其表达，进而负调控大豆对低磷胁迫的耐受性。这些结果表明GmGDPD2可能通过感知上游信号进而调节根系激素水平影响根系细胞分裂来调节大豆对低磷胁迫的耐受性（图1）。

该研究鉴定了一个新的植物磷效率调控模块，阐明了以GmGDPD2为中心的分子模块是如何调控大豆根系发育和低磷耐受力。GmMyb73感知磷饥饿后表达下调，促进GmGDPD2的表达，并通过GmGA2ox1活性影响GA、生长素与乙烯等激素水平抑制主根伸长，诱导侧根和根毛形成，从而影响磷的吸收与利用。因此，以GmGDPD2为中心的磷效率调控模块代表了一个很有潜力的核心枢纽，可以通过重塑根系结构特性来提高大豆对低磷胁迫的耐受性并最终提高产量，为未来通过协同改良多个性状实现大豆产量潜力突破、减少磷肥施用提供了新思路。

图1调控大豆耐低磷特性的Myb73-GDPD2-GA2ox1模型

研究成果近期发表在The Plant Cell上，河南农业大学胡丹丹、崔瑞凡、王珂与杨宇明为共同第一作者，河南农业大学张丹教授、东北地理所张恒友研究员与南京农业大学喻德跃教授为共同通讯作者，东北地理所王乐博士参与了本项研究。研究得到东北地理所创新团队（2022CXTD03）、国家自然科学基金（32272176）和黑龙江省杰出青年基金（JQ2022C005）项目部分资助。

论文信息：

Hu D, Cui R, Wang K, Yang Y, Wang R, Zhu H, He M, Fan Y, Wang L, Wang L, Chu S, Zhang J, Zhang S, Yang Y, Zhai X, Lv H, Zhang D, Wang J, Kong F, Yu D, Zhang H, Zhang D (2024) The Myb73-GDPD2-GA2ox1 transcriptional regulatory module confers phosphate deficiency tolerance in soybean. Plant Cell. doi:10.1093/plcell/koae041

论文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae041/7606655