全 文 ：ChineseAgriculturalScienceBuletinVol.21No.82005August
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磷是构成生命的重要元素之一，也是土壤中有效
性最低的一种营养元素[1]。农作物的产量常受到缺磷
的影响而受损。植物对缺磷的反应是一个复杂的网
络过程。大约有100多个基因参与了植物对缺磷的
反应[2]。目前尽管人们对植物吸收磷的理解已经有了
长足的进步，但是在植物对磷的具体调控机制[3]、磷
的跨液泡膜运输[4]等重要方面仍然没有明确的结果。
拟南芥是一种进行植物基础研究的良好材料。运
用将单基因突变体与野生型进行比较是从分子到生
理研究植物功能的一种方法。而且分子生物学研究
的进展为在突变体的基础上分离基因提供了一系列
途径[5]。在植物对磷饥饿调控反应的研究中，拟南芥
拟南芥突变体在磷饥饿反应研究中的应用
常胜合 5!舒海燕 6!秦广雍 5!吴玉萍 5!赵海珍 5
（ 1郑州大学离子束生物工程实验室，郑州450056；2郑州大学生物工程系，郑州450001）
摘 要!磷是构成生命的重要元素之一!也是土壤中有效性最低的一种营养元素 农作物的产量常受
到缺磷的影响而受损 研究植物对磷饥饿的反应对于培育耐低磷农作物#减轻农民大量施磷肥的负
担具有重要意义将单基因拟南芥突变体与野生型进行比较是从分子到生理研究植物功能的一种理
想方法目前广泛应用的突变体主要有磷转运功能缺陷突变体#有机酸分泌功能缺失突变体#为研究
某一特定基因功能而创造的突变体和根部形态突变体四类它们在研究植物体内磷的转运#代谢#对
磷的吸收和验证基因功能等方面发挥了重要作用但是!在植物对磷饥饿的反应中!磷的跨液泡膜运
输#植物对磷的具体调控机制等重要问题目前还没有明确的结果如何创造针对性强的筛选方法!诱
导筛选更多的专一突变体是将来解决这些问题的一个基本途径
关键词!磷饥饿$突变体$拟南芥$反应
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基金项目!国家“ 十五”科技攻关项目“ 离子束应用技术研究”（ 2001BA302B）。第一作者简介!常胜合，男，1974年出生，河南唐河人，讲师，主要从事植物逆
境研究。通信地址：450052河南省郑州市郑州大学物理工程学院离子束生物工程实验室，E-mail:shchanghyshu@vip.eyou.com，shchang@zzu.edu.cn。收稿日
期!2005-04-04，修回日期：2005-04-05。
植物生理科学!#! !
中国农学通报 第 ! 卷 第 # 期 !$$% 年 # 月
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突变体发挥了重要作用。笔者主要对目前已经鉴定
分离的磷饥饿反应突变体作一介绍，并对它们在研
究植物对磷饥饿的调控反应中所取的进展进行讨
论。
! 植物磷转运功能缺陷突变体
植物的根在吸收磷以后，首先从根向上运输到叶
中，然后有一部分磷从叶返回到根部。在这个磷转运
的过程中，如果负责该转运过程的某一基因发生了
突变，势必要影响到磷在整个植物体内的运输。在这
方面，目前已经鉴定分离的突变体有PHO1和PHO2
两个。
PHO1突变体最早由Poirer等（ 1991）发现[6]。该
突变体失去了将磷运送到木质部的功能。该突变体
植株的叶子严重缺磷，磷含量只有野生型的5%。该
功能的缺陷主要由一个在PHO1位点的单基因隐性
突变引起[2]。运用图位克隆的方法将这个基因分离出
来，发现PHO1的N-端主要为疏水区域，C-端有6
个跨膜区。PHO1与包括H!-Pi共转运子在内的转运
蛋白都没有明显的同源性。但是PHO1与鼠白血病
反转录病毒接受子RCM1有高度的同源性[7]。目前并
没有PHO1具有转运活性方面的证据，但是，PHO1
具有SPX区域，暗示PHO1可能是磷转运过程中的
一个调控因子[8]。
另一个著名的拟南芥磷转运功能缺失突变体是
PHO2。Emmanuel等 (1995)运用X-rayfluorescence
spectrometry的方法对经 EMS处理的拟南芥种子的
M2代叶片进行磷含量测定，分离了该突变体。发现
该突变体叶子中积累了大量的磷，失去了对叶中磷
的调控[9]。在供磷充足的情况下，PHO2突变体磷吸收
速度比野生型高两倍[10]。当把叶去掉以后，突变体和
野生型的根对磷的吸收速度大致相近，表明 PHO2
全植株对磷吸收速度高主要是因为在PHO2的叶中
存在一个大储存量的磷库[10]。当把拟南芥植株从供磷
充足的营养液转移到缺磷的营养液中的时候，PHO2
根中磷浓度的降低速度与野生型大致相当――尽管
PHO2叶中磷的浓度比野生型高4倍[10]。它的主根的
生长对于外界磷浓度的增加表现出极强的反应[12,13]，
这暗示在根和叶之间存在着一个磷交流的通道[13]。
PHO2可能在磷从叶通过韧皮部向根转运的过程中
出现了缺陷，或者是叶细胞失去了对整个植株磷的
调节功能[10]。因此，PHO2植株在高磷生长介质中根
尖生长速度加快可能是主根根尖细胞内磷浓度的增
加或者磷吸收增加的原因。目前并不清楚PHO2蛋
白是否直接作用于磷的转运[10]。
将 PHO1和 PHO2进行杂交，Emmanuel等
(1995)获得了一个双突变体PHO1/PHO2。该双突变
体表现为 PHO1的性状 [9]。将野生型、PHO1-2，
PHO2-1种植从23度条件下转移到5度条件，Vaugh-
an等（ 2000）发现PHO1-2耐冻性、脯氨酸和蔗糖的积
累没有改变或者有所提高，但是PHO2-1的这些指标
都有所降低[14]。转移到5度条件以后，蔗糖磷合成酶
和细胞质fructose-1,6-bisphosphatase的活性增加。但
是PHO1-2这种增加的速度越来越大，而PHO2-1增
加的速度逐步减弱[14]。因此，低磷在启动叶对冷的适
应的过程中可能发挥了重要作用[15]。
有机酸分泌功能缺失突变体
在磷饥饿的情况下，植物的根会分泌一些有机酸，
降解环境中不能被植物直接利用的磷，使其成为可
溶性的磷，以供植物吸收利用。如果控制这些功能的
基因发生突变，植物将不能够分泌有机酸，从而影响
对外界磷的吸收。目前这方面的突变体主要有PHO3
和PSR1两个。
在低磷胁迫条件下野生型植株分泌磷酸酶，降解
BCIP（ 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-phosphate）释放出诱
颜色的物质，因此根在磷酸酶和BCIP染色以后是蓝
色的。如果拟南芥分泌磷酸酶的功能失去，则根在这
些条件下根是浅蓝的或者是白色的[15]。在磷饥饿条件
下对拟南芥根系的酸性磷酸酶进行分析，有可能分
离到相应的磷营养突变体 [16]。Oksana等 (2001)用
T-DNA标签插入后的拟南芥在低磷（ 11.3M）的
MS培养基上对根用磷酸酶染色，筛选到一株突变体
PHO3。PHO3生长严重受阻，在供磷充足的培养基
中，PHO3的苗和根的鲜重比野生型的至少少 30%。
土壤中生长的PHO3植株的叶表现出明显的色素积
累的特点，当叶片开始成熟的时候，叶片上出现紫色
的色素，首先是叶尖，然后从叶的边沿逐渐扩展到叶
的中间。在含磷的琼脂培养基上，PHO3的积累的
anthocyanins比野生型植株高3倍[15]。
植物在磷饥饿的环境中，会增加有机酸的分泌，如
果这时外界环境中有有机磷的存在，这些有机酸会
降解这些有机磷使其变为植物可以吸收的磷。因为
磷是植物生长所必需的一个大量营养元素。在没有
磷存在的环境中，植物不可能存活长久。利用这个特
点，Donna等（ 2000）将用 EMS诱变过的拟南芥种子
M2代播种在没有磷但是附加有 DNA的培养基中，
有机酸分泌正常的植株在这些培养基上生长正常，
但是如果有机酸分泌的功能出现缺陷，这些植株则
不能够在这些培养基上正常生长。利用这套系统，筛
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选到22个与有机酸分泌有关的突变体[11]。其中一个
突变体PSR1在磷饥饿条件下，核糖核酸酶和酸性磷
酸酶的活性显著下降。表明这些突变对磷饥饿诱导
以降解外源核酸的酶的表达进行了损坏，从而影响
到高等植物磷饥饿反应系统的调控元素[11]。
! 为研究某一特定基因的功能而创造的功能缺失
突变体
在分子生物学研究的过程中，为了研究某一特定
基因的功能，经常采取一些方法创造一些特定的突
变体。在磷饥饿研究的过程中，目前主要有 !#$、
PHT2;1、PHR1等几个突变体。
PHR1是植物中第一个被分离和鉴定的磷饥饿反
应的基因 [17]。Vicente等 (2001)对转基因（ ATIPSI:
GUS）拟南芥植株用EMS进行诱变，在M2代进行筛
选以获得磷调控反应改变的突变体。其中一个突变
体（ PHR1），对磷饥饿的反应与转基因（ ATIPSI:GUS）
拟南芥植株对磷饥饿反应不同。在许多方面（ 例如对
磷饥饿反应基因的诱导作用、anthocyanin的合成等）
PHR1对磷饥饿的反应都减弱了。将PHR1进行定位
克隆以后，发现该基因与来自 !%&’()*+(+,’- ./0,!
%’.*1002的 345634576 689:98;5< =635<6= $
(36$)基因有关[18]。DNA结合实验结果表明PSI基
因的启动子部分序列能够与来自供磷充分植株的核
蛋白质进行特异结合，但是不能与来自磷饥饿植株
的核蛋白质进行结合[19]。表明植物内存在着磷调空转
录抑制子[13]。与PSR1不同，PHR1在供磷充足的条件
下表达，但是在磷饥饿的条件下，PHR1只有很微弱
的反应。PHR1、PSR1都有一个MYB区域和螺旋区
域（ CC）。PHR1结合区域在磷饥饿反应基因的启动
子有存在。表明PHR1作用的区域在磷调节信号途径
的下游[17]。在拟南芥中有15个MYB-CC转录因子成
员[20]。因此，功能上的冗余可能能够解释PHR1突变
体的部分表型[17]。
植物在磷饥饿的时候会发生一系列的变化。但是这
些变化都可以被对根进行外施细胞分裂素所抑制[20]。
Jos!等（ 2004）在对一个转基因(91;36$:>76)拟南芥系
进行筛选的过程中，发现一个突变体对细胞分裂素
的这种抑制作用比较弱。该突变体中几个其它磷饥
饿反应基因的表达对细胞分裂素的敏感性都降低
了。对该突变体进行作图分析后发现，它是 ?=$@
A5B（ 细胞分裂素接受蛋白）等位基因。CRE1无论在
野生型还是在CRE1突变体中，都受磷饥饿的负调
控，受细胞分裂素的诱导[20]。
PHT2;1是从植物中分离的第一个低亲和力磷转
运蛋白基因[21]。为了研究该基因的功能以及它在磷代
谢中的作用，Wayne等(2002)对 12000个 T-DNA出
入突变体系进行PCR扩增，发现有一个突变体能够
扩增出PHT2;1的部分序列[22]。运用该突变体进行研
究发现 PHT2;1影响叶片中磷的积累和植物体内磷
的分配 [22]。磷在光合作用的最终产物——磷酸丙
糖——在淀粉和糖的合成途径之间进行分配时可能
发挥了重要作用[22]。
与根部形态有关的突变体
人们一直认为在磷饥饿条件下，野生型的拟南芥
植株比没有根毛的突变体能够吸收更多的磷[23~29]。
Terence等（ 2000）发现在磷浓度为 0.4mmol/m3（ 最
低）时，无根毛突变体和野生型拟南芥都生长矮小，
表现出严重的磷饥饿症状 [30]。当磷浓度为 54
mmol/m3时（ 最高），这些指标在野生型和突变体之间
没有差别[30]。由此可见，在磷饥饿的条件下，拟南芥增
加根毛对于增加对磷的吸收是非常重要的[30]。
PDR2突变体是一个组成型的、磷依赖的根短小
突变体[13]。该突变体能够阻断磷信号的传导，磷饥饿
反应基因（ 例如控制anthocyaninsandstarch积累的基
因的表达）表达增强[32]。不过，PDR2最明显的特点是
当外界磷浓度低于0.1mM时根变短[31]。在低磷状态
下，根细胞分裂能力下降，最后下降到只能保持根的
最低分升功能的程度[13]。对根尖的总磷量进行测定排
除了高亲和力磷吸收出现缺陷的可能性[31]。分根实验
显示，PDR2根的形态依赖于外界磷的浓度而不是整
株植物体内营养元素的水平 [32]。对 PDR2用 phos-
phite(Phi)（ 一种磷的非代谢类似物）进行拯救和分根
试验表明，PDR2丧失了对外界低磷的感知[32]。这些结
果表明，磷在根的分升活动中充当了代谢调空信号的作用[32]。
它能够感知环境中磷的状态并能够通过改变分生组
织的活动去修改根系的构建[32]。
拟南芥突变体在植物对磷饥饿反应调控研究的过
程中发挥了重要作用。但是目前在植物磷营养研究
领域，还有许多重要的问题没有得到解决。例如，植
物是如何对外界的磷进行感知的；它是如何对体内
的磷进行调控的；长期以来，人们一直认为在植物的
液泡膜上存在着一个低亲和力的磷转运系统，但是
这个磷转运系统一直没有被仔细的研究。对磷饥饿
处理的植物，特别是对以对比研究为目的的野生型
植株和磷感知突变体，在整个转录组的水平上进行
研究将会给磷反应研究提供重要的线索。从以上已
经分离的突变体的研究中可以看出，针对磷代谢或
者调控过程中的某一个环节，创造一种针对性极强
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中国农学通报 第 ! 卷 第 # 期 !$$% 年 # 月
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的筛选方法是筛选突变体的关键。另外，对于本来用
于其它目的的突变体，如何运用到植物磷饥饿反应
的研究中，也是一个值得思考的问题。例如与根的形
态变异有关的突变体。因为根是吸收磷的重要部位，
根部性状的改变势必要影响植物对磷的吸收。因此，
利用目前已经鉴定的与根部性状有关的突变体去进
行植物对磷饥饿反应的研究，可能会促进这些问题
的解决。
参考文献
1 BarberSA,WalkerJM,VaseyEH.Mechanismsforthemovementof
plantnutrientsfromthesoilandfertilizertotheplantroot.J.Agri.Food
Chem,1963,11:204~207
2 RaghothamaKG.Phosphateacquisition.Annu.Rev.PlantPhysiol.Plant
Mol.Biol,1999,50:665~693
3WayneKVMariaJH.Achloroplastphosphatetransporter,PHT2;1,influ-
encesalocationofphosphatewithintheplantandphosphate-starvation
responses.ThePlantCel,2002,(14):1751~1766
4 MiguelAP,MichaelLA,E.JayDR,DebrahMT,AmbroVH,Nicole
DL,AmnonL,PamelaJG.IdentificationofBFN1,abifunctionalnucle-
aseinducedduringleafandstemsenescenceinarabidopsis.PlantPhysiol,
2000,(122):169~179
5 DelhaizeE,RandalPJ,WalacePA,PinkertonA.ScreeningArabidopsis
formutantsinmineralnutrition.PlantandSoil,1993,155/156:131~134
6 PoirerY,ThomaS,SomervileC,SchiefelbeinJ.AmutantofArabidopsis
deficientinxylem loadingofphosphate.PlantPhysiology,1991,97:
1087~1093
7 HamburgerD,RezzonicoE,MacDonald-ComberPJ,SomervileC,Poiri-
erY.IdentificationandcharacterizationoftheArabidopsisPHO1gene
involvedinphosphateloadingtothexylem.ThePlantCel,2002,14:
889~902
8 WangY,RibotC,RezzonicoE,PoirierY.Structureandexpressionpro-
fileoftheArabidopsisPHO1genefamilyindicatesabroadroleofinor-
ganicphosphatehomeostasis.PlantPhysiol,2004,135:400~411
9 EmmanuelD,PeterJR.CharacterizationofaPhosphate-Accumulator
MutantofArabidopsisthaliana.PlantPhysiology,1995,107:207~213
10BeiD,ZdenkoR,EmmanuelD.Uptakeandtranslocationofphosphateby
pho2mutantandwild-typeseedlingsofArabidopsisthaliana.Planta,
1998,205:251~256
11DonnaLC,CarlaAD,AleidaB,StefenA.Conditionalidentificationof
phosphate-starvation-responsemutantsinArabidopsisthaliana.Planta,
2000,211:13~22
12WiliamsonLC,RibriouxSP,FiterAH,LeyserHM.Phosphateavail-
abilityregulatesrootsystemarchitectureinArabidopsis.PlantPhysiol,
2001,126:875~882
13CarlaAT,StefenA.Shortonphosphate:plantsurveilanceandcounter-
measures.TRENDSinPlantScience,2004,9(11):548~555
14VaughanH,AsaS,RobertF,MarkS.Theroleofinorganicphosphatein
thedevelopmentoffreezingtoleranceandtheacclimatizationofphotosyn-
thesistolowtemperatureisrevealedbythephomutantsofArabidopsis
thaliana.ThePlantJournal,2000,24(3):383~396
15OksanaVZ,ChristineAR,JulieCL.pho3:aphosphate-deficientmutant
ofArabidopsisthaliana(L.)Heynh.Planta,2001,212:529~534
16GoldsteinAH,BaertlemDA,DanonA.Phosphatestarvationstressasan
experimentalsystemformolecularanalysis.PlantMolBiolRep,1989,7:
7~16
17VicenteR,FranciscoL,RobertoS,AnaCM,Joaqu?nI,AntonioL,
JavierPA.AconservedMYBtranscriptionfactorinvolvedinphosphate
starvationsignalingbothinvascularplantsandinunicelularalgae.Genes
andDevelopment,2001,15(16):2122~2133
18UthappaTM,ChunmingL,DeepaKV,KashchandraGR.Negativeregula-
tionofphosphatestarvation-inducedgenes.PlantPhysiol,2001,127:
1854~1862
19Jos! MF,EsperanzaG,ReglaB,FranciscoL,AntonioL,JavierP.The
transcriptionalcontrolofplantresponsestophosphatelimitation.J.Exp.
Bot,2004,55:285~293
20Jos MF,AnaCM,RobertoS,VicenteR,AntonioL,JavierP.Muta-
tionsatCRE1impaircytokinin-inducedrepressionofphosphatestarvation
responsesinArabidopsis.ThePlantJournal,32(3):353~358
21DaramP,BrunnerS,RauschC,SteinerC,AmiheinN,BucherM.pht2;1
encodesalow-afinityphosphatetransporterfromArabidopsis.PlantCel,
1999,11:2153~2166
22WayneKV,MariaJH.Achloroplastphosphatetransporter,PHT2;1,in-
fluencesalocationofphosphatewithintheplantandphosphate-starvation
responses.ThePlantCel,2002,14:1751~1766
23HoferRM.Roothairs.InY.Waisel,A.Eshel,andU.Kafkafi[eds.],
Plantroots-the hidden half,MarcelDekker,New York,USA,
1996.111~126
24MarschnerH.Mineralnutritionofhigherplants,2nded.Academic
Press,SanDiego,California,USA,1995.22~23
25FoehseD,JungkA.Influenceofphosphateandnitratesupplyonroothair
formationofrape,spinachandtomatoplants.PlantSoil,1983,74:
359~368
26LewisDG,QuirkJP.Phosphatedifusioninsoilanduptakebyplants.
PlantandSoil,1967,26:445~453
27BhatKKS,NyePH.Difusionofphosphatetoplantrootsinsoil.II.
Depletionaroundonionrootswithoutroothairs.PlantSoil,1974,41:
383~394
28AnghinoniI,BarberSA.Phosphorusinfluxandgrowthcharacteristicsof
cornrootsasinfluencedbyphosphorussupply.AgronomyJournal,
1980,72:685~688
29MisraRK,AlstonAM,DexterAR.Roleofroothairsinphosphorus
depletionfromamacrostructuredsoil.PlantSoil,1988,107:11~18
30TerenceRB,JonathanPL.Plantgrowthandphosphorusaccumulationof
wildtypeandtworoothairmutantsofArabidopsisthaliana(Brassi-
caceae).AmericanJournalofBotany,2000,87:958~963
31CarlaAT,CarlaAD,BretL,DavidES,StefenA.Arabidopsispdr2
revealsaphosphate-sensitivecheckpointinrootdevelopment.ThePlant
Journal,2004,37(6):801
32TicconiCA,DelatoreCA,LahnerB,SaltDE,AbelS.Arabidopsis
pdr2revealsaphosphate-sensitivecheckpointinrootdevelopment.Plant
J,2004,37:801~814
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