如何高效获取土壤中的磷等营养是植物适应陆地环境的关键挑战。植物在登陆早期演化出与丛枝菌根真菌的互利共生关系（AM共生），并被80%以上的现存陆地植物所继承。通过AM共生，植物为真菌提供碳源，而真菌则帮助植物更加高效地获取磷等营养元素。因此，AM共生也被认为是植物成功登陆的关键策略之一。AM共生的起源使植物具备了两种磷吸收途径：一是通过根部表皮细胞的直接吸收途径；二是利用AM真菌的间接吸收途径。在环境中磷充足的情况下，植物会抑制AM共生建立，并通过自身直接磷吸收途径摄取磷元素；当环境中的磷变得贫乏时，植物则利用更加高效的AM共生途径进行磷吸收。然而，植物如何在环境中磷充足和贫乏的条件下，精确平衡自身直接磷吸收途径与AM共生介导的间接磷吸收途径以实现稳定的磷吸收，长期以来未得到解析。

 近期，南京大学生命科学学院陈建群教授（江苏省植物学会副理事长）和邵珠卿副教授（江苏省植物学会理事）团队在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为 “Overexpression of miR399d impairs arbuscular mycorrhizal symbiosis in tomato” 的研究论文。该研究以番茄为模型，系统解析了一个在种子植物中起源的microRNA——miR399在平衡植物直接磷吸收途径和丛枝菌根共生（AM共生）介导的磷吸收途径中的关键调控作用，为揭示植物AM共生调控网络的分子机制与动态演化提供了新的视角。

该研究在课题组前期发现番茄miR399在AM共生时表达水平显著下调（Zeng et al., 2023, Plant Communications）的基础上，对多个被子植物（番茄、玉米、烟草和柑橘）在AM共生过程中的sRNA测序数据进行比较分析，发现miR399是唯一在上述被子植物物种中均受AM共生响应表达下调的miRNA家族。为了探究miR399对AM共生的潜在调控作用，研究人员对番茄AM共生时表达下调的miR399d进行了过表达转基因植株的构建和表型分析（图1）。结果显示，miR399d过表达植株（miR399d-OE）的AM真菌定殖率均显著低于野生型番茄，且AM共生特有的丛枝结构（负责营养交换的关键器官）发育畸形，表现为分枝减少、体积缩小（图1）。这表明miR399d高表达对番茄AM共生具有抑制作用。

图1. 过表达miR399d抑制番茄AM共生的形成

为探究miR399d调控AM共生的作用机制，研究人员结合番茄转录组、降解组测序及qRT-PCR，证明了miR399d通过靶向泛素结合酶编码基因PHO2的5'UTR负调控其表达。通过构建pho2突变体并对其表型分析显示，其根部AM真菌定殖率显著低于野生型，且丛枝发育异常（图2），表明PHO2功能缺失抑制了丛枝发育。pho2突变体的AM共生表型与miR399d-OE植株类似，进一步表明miR399-PHO2模块可能共同调控AM共生。

已有研究表明，在多个被子植物中PHO2可与直接磷吸收途径的磷转运蛋白PT1互作，调控磷直接吸收途径。该研究发现，在番茄中PHO2 蛋白也可与PT1蛋白发生互作。通过构建番茄PT1过表达植株并通过分析表明，番茄PT1过表达抑制了AM共生过程中的丛枝发育。此外检测发现，miR399d-OE、pho2突变体及PT1-OE的番茄植株中磷含量均显著高于野生型植株。这一结果强烈暗示，miR399d-OE、pho2突变体及 PT1-OE番茄植株中AM共生的减弱，可能是由于直接磷吸收途径增强导致体内磷浓度升高，进而降低了对AM共生介导的间接磷吸收途径的依赖。

图2. pho2突变导致AM共生发育受阻

miR399家族在番茄等多种被子植物AM共生中均表达下调，且其与靶基因PHO2的互作关系保守，暗示miR399对AM共生的调控可能是保守机制。该研究发现，miR399与PHO2均起源于种子植物共同祖先，且miR399对PHO2发挥调控作用的靶序列在裸子植物和被子植物中高度保守（图3），暗示该调控模块在种子植物中起源并随后整合到AM共生调控网络，成为平衡磷吸收策略的重要组件。该发现揭示了AM共生调控机制的动态演化特征，对探究植物AM共生调控网络的适应性演化具有重要意义。

图3. miR399-PHO2模块的起源追溯

       结合本研究及前人成果，研究人员提出了miR399介导的植物磷吸收调控模型：高磷环境中，AM共生被显著抑制，植物主要依赖直接磷吸收途径获取养分。此时miR399表达受到抑制，使PHO2蛋白积累，降解直接磷吸收关键转运蛋白PT1，避免植物因过量吸收磷而引发的磷中毒，确保磷吸收处于适宜水平。当环境磷浓度较低且缺乏AM真菌时，磷匮乏诱导miR399积累，抑制PHO2表达。PHO2蛋白合成减少后，对PT1的泛素化作用减弱，使PT1磷转运蛋白得以积累，最终增强植物对磷的直接吸收能力。

而在低磷且存在AM真菌的环境中，磷匮乏驱动AM共生建立（穷则变）。共生初期，植物仍激活miR399以增强直接吸收；随着共生关系的成功建立，丛枝菌根介导的间接磷吸收途径逐渐成为植物获取磷的主要方式，以更好的满足植物对磷乃至其他营养元素的需求（变则通）。此时，细胞内磷浓度因共生吸收而升高，这会反过来抑制 miR399的表达，使整个直接磷吸收途径随之下调（图4右下蓝色细胞）。那么当直接磷吸收与 AM 共生两种途径均可利用时，植物为何会优先选择 AM 共生途径而非直接磷吸收途径来摄取环境中的磷呢？这一方面是因为 AM 真菌相比植物根毛能更高效地从土壤中捕获磷元素；另一方面，AM 真菌还能向植物根系转运氮等其他营养元素，使植物在磷吸收之外获得额外的营养补给，从而实现多重收益。

该工作模型系统阐述了植物如何通过 miR399 精准调控两种磷吸收策略的动态切换，对理解种子植物在长期演化中为更好地获取营养的“穷则变，变则通”的调控网络提供了清晰的分子框架。

图4. miR399调控植物平衡菌根和非菌根磷吸收途径的工作模型

 南京大学生命科学学院陈建群教授和邵珠卿副教授为该论文通讯作者，博士后曾桢和博士生吴文申为论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、江苏省农业科技自主创新资金、国家资助博士后研究人员计划、江苏省卓越博士后计划、中国博士后科学基金和江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师等项目的资助。

 原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70242。