原创解读 | The Plant Journal节定位转运蛋白TaSPDT 调节小麦中磷向籽粒的分配

摘要：磷参与植物体内众多生理生化反应，对植物的新陈代谢、能量传递以及细胞结构的稳定等方面都有着深远影响。然而，土壤中磷元素容易与土壤中的金属离子发生结合，形成难以被植物根系吸收利用的化合物，导致农业生产实践中不得不大量施用磷肥。在小麦的种植过程中，磷肥的施用量占全球

磷参与植物体内众多生理生化反应，对植物的新陈代谢、能量传递以及细胞结构的稳定等方面都有着深远影响。然而，土壤中磷元素容易与土壤中的金属离子发生结合，形成难以被植物根系吸收利用的化合物，导致农业生产实践中不得不大量施用磷肥。在小麦的种植过程中，磷肥的施用量占全球农业磷肥总使用量的16%。深入探究小麦对磷元素的吸收、转运以及分配的分子机制，对于提高小麦的磷利用效率、减少磷肥的施用量以及降低环境污染等方面都具有重要的现实意义。

2025年2月14日，The Plant Journal在线发表了题为“A node-localized transporter TaSPDT is responsible for the distribution of phosphorus to grains in wheat”的研究论文。这篇文章聚焦于小麦中的 TaSULTR 基因家族，对水稻 OsSULTR3;4在小麦中的同源基因 TaSPDT 在磷元素运输和分配过程中的功能进行深入解析，为培育磷高效利用的小麦品种奠定坚实的基础。

研究结果：

1、TaSPDT 的转运活性

作者首先利用非洲爪蟾卵母细胞和缺乏 Pi 吸收能力的酵母菌株 EY917 对 TaSPDT 的磷转运活性进行了研究。当在卵母细胞中表达时，观察到在外部溶液 pH 为 5.5 且细胞内外存在质子梯度的情况下，TaSPDT 表现出对磷的流入转运活性。然而，在 pH 为 7.5 时未观察到转运蛋白活性（图 1A），这表明小麦中的 TaSPDT 是一种 H⁺/Pi 共转运蛋白。TaSPDT 对 ³²P 的吸收呈现浓度依赖性动力学，符合米氏方程，其 Km 值为 49.59μM，Vmax 值为 37.64pmol / 卵母细胞 / 30min（图 1B）。当在酵母突变体中表达时，酵母菌株 EY917 在 10mM Pi 条件下生长受到抑制。与 EY917 菌株相比，转化了 TaSPDT 的酵母突变体生长恢复且活力增强（图 1C）。进一步使用 35S 标记的硫酸盐测定了TaSPDT 的硫酸盐转运活性，但未观察到其具有硫酸盐转运活性（图 1D）。这些结果表明 TaSPDT 是一种高亲和力的 Pi 转运蛋白。

图1：TaSPDT 的转运活性

2、TaSPDT 的表达模式

qPCR结果显示，在营养生长阶段，TaSPDT 的相对表达量总体较低，在茎基部（SBR）表达量最高。在生殖生长阶段，TaSPDT 在各个节中的表达量较高，尤其是在第一节，并且在低磷诱导下显著上调。在开花期，在穗轴和小穗中也检测到 TaSPDT 的表达。在灌浆期，TaSPDT 在第一节的表达量显著升高，达到三个测量阶段中的最高水平，在低磷条件下比对照增加了 63.6%（图 2）。原位杂交结果均显示，TaSPDT 定位于第一节的 DVBs 和 EVBs 的木质部和韧皮部，以及扩散维管束（DVBs）和扩大维管束（EVBs）之间的过渡维管束（TVBs）上（图 3）。

图2：TaSPDT在小麦不同生育期的表达模式

图3：TaSPDT在小麦第一节的组织特异性

3、TaSPDT 对磷的分配至关重要

为研究 TaSPDT 在小麦磷转运和分配中的功能，作者利用 CRISPR/Cas9 技术获得两株TaSPDT 三个同源基因均发生缺失的编辑材料。在低磷条件下，突变体新叶的生物量积累显著低于野生型，而在高磷条件下，两者无显著差异（图 4A、B、E）。表明在低磷条件下，TaSPDT 的完整功能对小麦生长可能至关重要。在不同外源磷条件下培养小麦幼苗时，突变体新叶中的磷浓度和分配百分比显著低于野生型。在低磷条件下，突变体老叶中的磷分配百分比显著高于对照组（图 4D-G）。表明 TaSPDT 参与磷向新叶的转运和分配过程。

图4：野生型小麦和spdt突变体在营养生长期的生长、磷浓度和分布

在收获期进行的调查显示，在不同外源磷条件下，突变体和野生型小麦的株高无显著差异（图 5A、B）。在 20μM 的低磷环境中，突变体小麦颖壳和籽粒的干重显著降低；在 200μM 的条件下，虽然突变体小麦颖壳和籽粒的干重与野生型相比有下降趋势，但总体无显著差异（图5D、G）。这表明在低磷条件下，TaSPDT 可能参与调节小麦的生长。研究还对野生型和突变体小麦不同部位的磷积累模式进行了调查。突变体小麦颖壳和籽粒中的磷浓度和分配比例显著低于野生型，而旗叶中的磷浓度和分配比例显著高于野生型（图 5E、F、H、I）。这表明位于节部的 TaSPDT 可能参与了籽粒和旗叶之间的磷分配，优先将磷分配到籽粒中。为探究 TaSPDT 对籽粒磷积累的贡献，本研究评估了开花后新吸收的磷对籽粒磷的贡献比例，并在孕穗期和成熟期采集了小麦样本。结果显示，到成熟期时，约 45% 的籽粒磷来自开花后吸收的磷，其余 55% 则由衰老组织中转移的磷提供。TaSPDT 基因敲除可能会破坏植物体内磷向种子的分配，因为突变体小麦种子中的磷和植酸积累显著低于野生型（图 5C、E、H）。

图5：野生型小麦和spdt突变体收获时的产量、磷浓度和分布

4、TaSPDT 基因敲除对磷吸收、根向地上部转运、分配和再分配的影响

吸收和转运分析表明，野生型和突变体小麦在磷吸收能力上相当，并且从根部向地上组织转运 ³²P 的比例也相似。这表明 TaSPDT 可能不参与小麦根部对磷的吸收以及随后在根和地上部之间的分配过程。对小麦幼苗不同部位 ³²P 含量的分析显示，敲除TaSPDT后，茎基部和新叶中的磷含量显著降低，而老叶中的磷含量显著增加（图 6）。为研究 TaSPDT 在内部磷再动员中的作用，作者比较了野生型植株和突变体在缺磷前后的磷积累情况。结果显示，在缺磷 7 天后，野生型和突变体中均有 37-43% 的磷从成熟叶（1-2 叶）转移到新叶（5 叶）。野生型和突变体小麦在磷转移方面没有差异，这意味着 TaSPDT 不参与磷从老组织到新组织的细胞内转移过程。