王一凡，楊江偉,2，唐勛,2，晉昕，張寧,2，司懷軍,2*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅蘭州730070）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）營(yíng)養(yǎng)全面，可比效益高，已成為中國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收的第四大糧食作物，其產(chǎn)業(yè)更是對(duì)部分地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用[1]。在自然環(huán)境下，馬鈴薯的生長(zhǎng)和產(chǎn)量均會(huì)受到許多因素的限制，其中土壤無(wú)機(jī)磷水平對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的影響[2]。無(wú)機(jī)磷是遺傳物質(zhì)（DNA和RNA）、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物膜系統(tǒng)的重要組成成分，廣泛參與了植物生長(zhǎng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)移、信號(hào)傳遞、酶促反應(yīng)調(diào)節(jié)、光合作用和呼吸反應(yīng)等許多代謝反應(yīng)過(guò)程，因此土壤中磷水平的高低會(huì)嚴(yán)重影響到馬鈴薯的正常生長(zhǎng)發(fā)育[3,4]。大量數(shù)據(jù)表明，全球約有一半的土地?zé)o機(jī)磷含量普遍較低，而中國(guó)約2/3的耕地處于缺磷狀態(tài)[5,6]。

植物主要是通過(guò)磷酸鹽（Pi、HPO42-、H2PO4-）的形式吸收土壤中磷營(yíng)養(yǎng)，相比于氮、鉀等無(wú)機(jī)元素，無(wú)機(jī)磷更容易被土壤中的陽(yáng)離子和其他有機(jī)物固定形成流動(dòng)性低、擴(kuò)散能力差的難溶性固態(tài)磷，故土壤中可供利用的有效態(tài)無(wú)機(jī)磷含量實(shí)際不高，這一現(xiàn)狀也是當(dāng)前制約中國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[7,8]。目前，全球馬鈴薯種植業(yè)主要通過(guò)施磷肥來(lái)提高耕地磷含量以緩解土壤缺磷狀態(tài)，保證馬鈴薯產(chǎn)量穩(wěn)定，但當(dāng)季磷肥利用率普遍較低，且過(guò)量使用已造成全球磷礦石資源日漸枯竭和農(nóng)業(yè)磷污染，也加重了土壤、水和大氣環(huán)境營(yíng)養(yǎng)富集化程度，對(duì)生態(tài)安全和生命健康構(gòu)成了潛在威脅[9-11]。因此，充分利用馬鈴薯自身遺傳潛力挖掘磷酸鹽生長(zhǎng)相關(guān)的候選基因，篩選和培育耐低磷的馬鈴薯品種，是當(dāng)前降低磷污染的有效措施之一。本文綜述了馬鈴薯對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)吸收和利用的生理特性以及響應(yīng)低磷生長(zhǎng)的相關(guān)調(diào)控機(jī)制，以期為改良和培育磷高效利用的馬鈴薯品種提供理論依據(jù)。

1 磷效率在馬鈴薯品種間存在差異

磷效率是指植物對(duì)磷的吸收率和利用率[12]。磷的吸收率是單株植物對(duì)土壤中磷的吸收能力，而磷的利用率是植物利用單位含量的無(wú)機(jī)磷通過(guò)代謝最終積累的干物質(zhì)的量[13]。研究發(fā)現(xiàn)，植物在低磷條件下會(huì)通過(guò)提高磷效率來(lái)保證正常的生長(zhǎng)，同時(shí)磷效率也在不同物種或同一物種的不同品種間存在差異[14]。目前，磷高效基因型品種指的是磷營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足時(shí)產(chǎn)生更多的生物量（產(chǎn)量）或某個(gè)基因型在一定磷養(yǎng)分供給條件下，獲得高產(chǎn)或高養(yǎng)分含量的能力[15,16]。陳春霞等[17]研究表明，不同馬鈴薯品種組培幼苗存在磷效率指標(biāo)（干重、鮮重、磷吸收量和利用效率）差異。Daoui等[18]則通過(guò)田間的磷脅迫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)磷對(duì)不同品種馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量具有明顯的影響。故無(wú)機(jī)磷效率在不同基因型的馬鈴薯品種間存在吸收和利用水平的差異，磷營(yíng)養(yǎng)在馬鈴薯植株的干物質(zhì)積累、根莖葉生長(zhǎng)、組織磷積累和塊莖發(fā)育等方面具有品種差異。

2 磷對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的影響

馬鈴薯塊莖發(fā)育之前主要是地上主莖葉的生長(zhǎng)和構(gòu)建，在發(fā)棵期后，植株莖葉系統(tǒng)已建立完善，積累的干物質(zhì)會(huì)主要流向匍匐莖以促進(jìn)結(jié)薯和塊莖的生長(zhǎng)[19]。光合作用是馬鈴薯植株通過(guò)莖葉系統(tǒng)積累有機(jī)物的主要方式，會(huì)影響到塊莖的發(fā)育和最終品質(zhì)。無(wú)機(jī)磷作為光合反應(yīng)鏈中的重要元素，參與了光合磷酸化反應(yīng)的ATP合成[20]。另外，磷離子是葉綠體結(jié)構(gòu)的重要成分，影響著葉綠體的結(jié)構(gòu)功能和光合效率，是光合反應(yīng)積累有機(jī)物的重要影響因子[21]。研究表明，磷酸鹽能夠維持葉綠體胞質(zhì)pH，保證ATP合酶活性，增強(qiáng)光飽和點(diǎn)，降低CO2補(bǔ)償點(diǎn)，提高光合同化物積累和參與電荷傳遞以及調(diào)節(jié)光合反應(yīng)機(jī)制相關(guān)基因的表達(dá)[22-24]。高聚林等[25]通過(guò)研究馬鈴薯植株積累物的分配方式發(fā)現(xiàn)，磷含量在馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中呈上升趨勢(shì)，塊莖成熟后無(wú)機(jī)磷的含量遠(yuǎn)高于其他組織和器官。另外，馬鈴薯整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中干物質(zhì)的積累量呈“S”形增長(zhǎng)，而葉莖和塊莖中存在生長(zhǎng)階段積累量的差異[26]。干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)，其積累和合理分配是實(shí)現(xiàn)塊莖正常發(fā)育和高產(chǎn)的保證。此外，無(wú)機(jī)磷作為核酸、磷脂、蛋白質(zhì)等的結(jié)構(gòu)與功能成分，充分地參與了生長(zhǎng)過(guò)程中在分子和生理水平的生化反應(yīng)和基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程，在維持馬鈴薯正常生長(zhǎng)和響應(yīng)環(huán)境變化的調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[27]。

3 磷對(duì)植株表型和代謝反應(yīng)的影響

無(wú)機(jī)磷營(yíng)養(yǎng)的作用體現(xiàn)在植物生長(zhǎng)周期的各方面，缺磷會(huì)對(duì)株型產(chǎn)生明顯的影響，在植物生長(zhǎng)的中后期，更會(huì)限制蛋白質(zhì)的合成和修飾。此外，缺磷癥狀不僅具有植物組織特異性，還存在物種間的明顯差異。研究發(fā)現(xiàn)，玉米缺磷會(huì)出現(xiàn)禿頂、葉變紫紅、穗短小、籽粒不飽滿和幼苗生長(zhǎng)遲緩等癥狀[28]；小麥穗會(huì)變小變少、莖基部和葉出現(xiàn)紫紅色[29]；大豆葉會(huì)變尖變窄，植株發(fā)育瘦小[30]。馬鈴薯缺磷，葉片會(huì)變皺，呈深綠色，植株矮小，葉緣朝上卷曲和葉面積縮小。缺磷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響，整個(gè)葉片呈紫紅色且向內(nèi)卷曲，葉片數(shù)量減少，根莖比縮小，薯塊內(nèi)部甚至出現(xiàn)鐵銹色痕跡，側(cè)根數(shù)量、根表面積和根冠比也明顯降低[31,32]。

無(wú)機(jī)磷也是細(xì)胞膜磷脂分子層的結(jié)構(gòu)成分，在維持膜的完整性和功能上具有重要作用。長(zhǎng)時(shí)間缺磷會(huì)引起細(xì)胞膜脂的過(guò)氧化反應(yīng)，破壞膜結(jié)構(gòu)的完整性，造成細(xì)胞膜透性改變，使內(nèi)含物發(fā)生外滲[33]。馬鈴薯缺磷會(huì)引起葉綠素含量的明顯下降，直接影響著葉綠素的合成和光合反應(yīng)進(jìn)程，同時(shí)造成細(xì)胞內(nèi)活性氧累積，導(dǎo)致更多葉綠素分解[34,35]。另外，缺磷會(huì)對(duì)超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過(guò)氧化物酶（Peroxidase，POD）、過(guò)氧化氫酶（Catalase，CAT）等調(diào)節(jié)酶的表達(dá)產(chǎn)生影響，長(zhǎng)時(shí)間的磷脅迫會(huì)使酶活性逐漸降低[36]。另外，低磷同樣影響了碳水化合物的轉(zhuǎn)化和同化物的根莖組織間的運(yùn)輸，使葉中糖過(guò)度積累而引起葉片皺縮和發(fā)黃以及根組織淀粉的積累[37]，這些異常變化在玉米中同樣被發(fā)現(xiàn)[38]。長(zhǎng)時(shí)間的磷脅迫對(duì)糖酵解、三羧酸循環(huán)和有機(jī)酸代謝通路均產(chǎn)生明顯限制作用，通路中的部分酶，如催化己糖磷酸化的尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸酶（UDP-glucose pyrophosphosphprylase，UGP）、焦磷酸酶（Pyrophosphatase，PPase）、磷酸果糖激酶（Phosphofructokinase，PFK）、參與缺氧誘導(dǎo)反應(yīng)的己糖激酶（Hexokinase，HK）等均會(huì)出現(xiàn)表達(dá)量和生理活性的降低。

4 馬鈴薯磷脅迫響應(yīng)機(jī)制的研究

4.1 馬鈴薯響應(yīng)磷脅迫的形態(tài)學(xué)和生理機(jī)理

為適應(yīng)低磷脅迫，植物也在形態(tài)特征和代謝水平上進(jìn)化出了有效的響應(yīng)機(jī)制[3,35]。當(dāng)植物處于缺磷狀態(tài)時(shí)，根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)在相關(guān)基因調(diào)控下發(fā)生改變，主根會(huì)降低生長(zhǎng)速度，而側(cè)根在總長(zhǎng)度和密度方面均有明顯的再生長(zhǎng)，以擴(kuò)大根面積來(lái)提高對(duì)磷離子的吸收[39]。研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯中與細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的赤霉素、生長(zhǎng)素等植物激素含量明顯上升，有效地促進(jìn)了根分生組織的分裂和根的生長(zhǎng)。此外，光合產(chǎn)物在分配上也發(fā)生了與小麥等作物相似改變，馬鈴薯中更多的同化物流向根以促進(jìn)根系統(tǒng)的再發(fā)育[40]。另外，植株根冠比會(huì)減小，部分老葉會(huì)自動(dòng)凋亡，將回收的磷輸送至新的葉莖組織再利用以緩解缺磷癥狀[41]。在生理水平上，各種磷酸酶、磷脂酶、核酸酶等水解酶的合成和分泌量會(huì)低于正常水平，以減少腺苷酸的使用，實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的磷回收來(lái)維持細(xì)胞環(huán)境的正常磷水平[42]。馬鈴薯在短期磷脅迫下，磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶（Phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）、酸性磷酸酶（Acid phosphatase，ACP）、PPase等代謝酶的比活力會(huì)明顯升高，而糖酵解、三羧酸循環(huán)和有機(jī)酸代謝途徑中一些關(guān)鍵酶[UGP、PFK、果糖-1,6-二磷酸酶（Fructose-1,6-bisphosphatase，F(xiàn)BPase）]、NADP依賴性甘油醛-3-磷酸脫氫酶（NADP-Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase，NADP-GAPDH）和蘋果酸脫氫酶（Malatedehydrogenase，MDH）也表現(xiàn)出較高的比活力和表達(dá)量，這可能是因?yàn)槿绷状碳ち讼嚓P(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和激酶蛋白的過(guò)量表達(dá)[43]。另外，研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥和水稻等植物根系的表皮和外皮層也能夠通過(guò)分泌特異性水解酶（AtPAP12，AtPAP26和OsPAP10c）來(lái)提高對(duì)土壤固化磷的酶解，促進(jìn)根的吸收，但馬鈴薯相關(guān)水解酶的功能鑒定尚缺乏詳細(xì)的研究[44,45]。

4.2 馬鈴薯磷脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制

轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育方面起著重要作用，其轉(zhuǎn)錄是植物調(diào)節(jié)體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的主要步驟。目前，在擬南芥和水稻等模式植物中，已鑒定了大量響應(yīng)磷脅迫的MYB、WRKY、bHLH和bZIP類轉(zhuǎn)錄因子[46-49]。其中，磷轉(zhuǎn)錄因子（Phosphate transcription factor，PTF）屬于bHLH類轉(zhuǎn)錄因子家族，能夠在植物遭受磷含量不足時(shí)明顯上調(diào)表達(dá)，通過(guò)直接和間接的調(diào)節(jié)作用來(lái)緩解磷脅迫帶來(lái)的生長(zhǎng)限制。研究發(fā)現(xiàn)，玉米ZmPTF1，水稻OsPTF1和大豆GmPTF1的超量表達(dá)均能夠增強(qiáng)植物根冠的分蘗能力，提高植株的干物質(zhì)重和磷含量，有效地緩解缺磷生長(zhǎng)的不良癥狀，提高植物的生存率[48]。另外，其他類型的轉(zhuǎn)錄因子（TaWRKY72b、StMYB44）也被相繼發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過(guò)各種方式調(diào)節(jié)低磷水平下植物的磷效率，保證正常的生長(zhǎng)[50,51]。

磷轉(zhuǎn)運(yùn)體（Phosphate transporter，PHT）直接影響著植物對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)的吸收，轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配。目前，已鑒定和研究了水稻、玉米、小麥、大豆、高粱等作物中PHTs基因的家族成員，他們位于植物的各個(gè)組織和細(xì)胞器，協(xié)同實(shí)現(xiàn)植物對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)的攝取和再分配[52-56]。另外，已也完整鑒定了馬鈴薯的PHTs家族成員，其中，StPHT1s成員主要參與了根和葉中磷酸鹽的移動(dòng)，而StPHT3s只在磷脅迫誘導(dǎo)下會(huì)大量表達(dá)。此外，PHTs基因的表達(dá)還與脅迫時(shí)間有關(guān)，且在環(huán)境的磷水平狀態(tài)和植物組織上存在表達(dá)的特異性，能夠在磷的獲取和活化中具有多重作用[57,58]。

植物在磷脅迫下，部分次生代謝和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的基因會(huì)發(fā)生表達(dá)改變。在擬南芥、水稻和玉米中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素P450和過(guò)氧化物酶等編碼基因也出現(xiàn)了異常表達(dá)，他們通過(guò)影響代謝和光合反應(yīng)等協(xié)助植物降低磷脅迫的不利影響[59,60]。此外，磷脅迫下馬鈴薯中一些調(diào)節(jié)糖脂和鞘脂合成的關(guān)鍵基因表達(dá)量也明顯升高，如糖基轉(zhuǎn)移酶、1,2-二?；视?、3-β-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶、二酰基甘油合酶和核黃素激酶等，這可能是由于糖脂和鞘脂能在一定程度替代磷脂維持膜的結(jié)構(gòu)和功能所致[61]。

5 磷高效利用育種展望

馬鈴薯通過(guò)攝取土壤中的磷營(yíng)養(yǎng)來(lái)保證正常的生長(zhǎng)，但土壤缺磷會(huì)對(duì)植株莖葉生長(zhǎng)，干物質(zhì)積累和塊莖發(fā)育造成不利影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致塊莖產(chǎn)量和質(zhì)量品質(zhì)的降低[4]。為了適應(yīng)環(huán)境限制，保持正常生長(zhǎng)，馬鈴薯也在分子和生理水平上進(jìn)化出了復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制來(lái)緩解環(huán)境脅迫帶來(lái)的生長(zhǎng)障礙。液泡是植物細(xì)胞中重要的儲(chǔ)磷庫(kù)，能夠在一定程度上進(jìn)行組織內(nèi)無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)移，維持細(xì)胞微環(huán)境中磷酸鹽的平衡。SPX-MFS作為調(diào)節(jié)液泡進(jìn)行磷酸鹽交換的關(guān)鍵控制基因，在維持植物組織磷平衡中發(fā)揮著重要功能，但目前對(duì)其在植物中具體的控制作用還研究尚少[62,63]。另外，叢植根菌是一類能夠協(xié)助根組織細(xì)胞在磷脅迫條件下提高無(wú)機(jī)磷的吸收，緩解植物缺磷生長(zhǎng)的共生因子，但對(duì)其協(xié)助馬鈴薯響應(yīng)磷脅迫的具體機(jī)制尚不十分明確[64]。Wang等[65]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯適當(dāng)?shù)牧酌{迫能夠提高植株的抗干旱水平，這可能是磷脅迫導(dǎo)致馬鈴薯植株形態(tài)特征和生理水平代謝改變引起的，Boussiba等[66]將植物某些方面適度缺失能夠增強(qiáng)部分抗逆能力的現(xiàn)象認(rèn)為是一種交叉適應(yīng)。

磷轉(zhuǎn)運(yùn)體（PHT）作為磷酸鹽吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配的關(guān)鍵協(xié)助蛋白，廣泛分布于植物各組織和細(xì)胞器中。磷轉(zhuǎn)錄因子（PTF）是調(diào)節(jié)植物適應(yīng)低磷脅迫的前期調(diào)控因子，能夠與PHT在調(diào)整植物響應(yīng)磷脅迫，提高磷效率的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，他們的功能也已在擬南芥、水稻等植物中被大量研究[67,68]。因此，應(yīng)該對(duì)馬鈴薯PHT和PTF成員進(jìn)行詳細(xì)的鑒定和分析以研究其功能上的差異，然后利用基因工程育種的方法提高關(guān)鍵調(diào)控基因在植株磷脅迫下的表達(dá)水平，是緩解磷脅迫的有效手段。表觀性狀會(huì)受到一個(gè)或多個(gè)基因在轉(zhuǎn)錄、翻譯等水平的多層次調(diào)控。此外，使用QTL等基因標(biāo)記技術(shù)對(duì)磷酸鹽調(diào)節(jié)相關(guān)的基因進(jìn)行染色體的準(zhǔn)確定位，以便研究基因連鎖關(guān)系和遺傳規(guī)律，對(duì)育種規(guī)模和后代基因型進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高育種效率。另外，回交和單倍體技術(shù)也是培育穩(wěn)定遺傳純合基因型品種的有效方法[69,70]。目前，對(duì)水稻、小麥等作物的磷脅迫響應(yīng)機(jī)制研究較多。因此，該綜述在參考國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，對(duì)馬鈴薯磷脅迫條件下，相關(guān)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)，并為培育和篩選磷高效利用的馬鈴薯品種提供有效的育種策略。