打印磷（P）是核苷酸、生物膜和关键代谢酶等的重要组成元件，是植物生长发育的关键元素之一。植物能吸收利用的磷的主要形式是无机磷酸盐，其唯一来源是磷矿，而作为一种非可再生的资源，全球磷矿资源预计将会在未来50-100年内耗尽。土壤中虽然含有无机磷，但由于碱性金属离子的结合作用、微生物的竞争吸收和雨水、灌溉水的冲刷，导致其中可供植物利用的磷酸盐处于很低的水平，全球约70%的耕地可利用磷含量极其匮乏。同时大多数植物磷利用效率普遍较低，能吸收利用的环境磷酸盐不到总量的20%。为提高作物产量，不得不大量施用磷肥，由此既造成宝贵磷资源的浪费，更带来富营养化等一系列环境问题。如何减少磷资源的过度使用，同时保证粮食安全是人类面临的一个重大挑战。深入解析植物磷资源利用机制、提高作物的磷利用效率是解决这一问题的一大关键。
浮萍是世界上生长最快的单子叶开花植物，大量的研究工作已经证明：浮萍在营养限制、缺氮、缺磷的条件下都能积累高生物量和高淀粉含量，并且能有效吸附环境中重金属、降低水体中氮和磷含量，是近年来植物非生物胁迫研究、生物质能源开发、环境污染生物治理等领域备受关注的新型生物质资源。
中科院成都生物研究所赵海研究团队在对浮萍的系统研究中发现：在磷饥饿处理15天后，浮萍总磷含量降低，总碳含量升高，生物量产量提高到124 g m-2，淀粉产量达到47 g m -2，磷利用效率达到762 kg kg -1磷，该结果显著高于文献报道的同样处理下的水稻（510 kg kg -1磷）、土豆（443 kg kg -1磷）和大豆（531 kg kg -1磷）。为进一步阐释浮萍在缺磷条件下的淀粉积累和高效磷利用机制，研究团队对浮萍缺磷条件下的磷酸盐转运系统和淀粉代谢进行了深入研究，结果表明：（1）在缺磷条件下浮萍参与淀粉合成的关键酶AGPase、SSS酶活上调，转录组结果不仅证明了以上结果，也发现其它参与淀粉合成的关键基因包括GBSS、SBE表达上调；（2）大量参与编码高亲和性转运蛋白、液泡磷酸盐转运蛋白、酸式磷酸酶、核酸酶的基因表达显著上调。尤其是发现缺磷条件下编码PHT1;4、VPE、PAP22的基因分别上调294、6、410倍，显著高于文献中报道的拟南芥中相同基因的表达变化。此外，利用课题组前期建立的高效的、遗传性质稳定的浮萍愈伤组织，对功能基因进行亚细胞定位，明确了浮萍VPE的编码产物能同时定位在液泡膜和质体上。该结果弥补了对浮萍内源磷酸盐高效利用和循环机制研究的空白，也为改善植物磷利用效率的研究提供了切实可靠的可参考功能基因。
上述研究结果不仅证明了浮萍在磷饥饿条件下可以实现淀粉快速积累，更为植物磷资源高效利用机制提供了新的认识。为减少磷资源消耗同时获得高品质生物质提供了一条可行的途径，对农业绿色可持续发展具有重要的参考意义。
以上研究成果以李瑾萌博士为第一作者、杜安平助理研究员为共同一作，方扬副研究员和赵海研究员作为共同通讯作者，发表在农业与生物科学领域的一流期刊《Industrial crops and products》(IF=4.244)上。
该研究得到中国科学院种子创新研究院、国家水生生物种质资源库、国家自然科学基金(31770395)、中国科学院重点部署项目(ZDRW-ZS-2017-2-1)、中国科学院“西部之光”计划(2017XBZG_XBQNXZ_B_012和2018XBZG_XBQNXZ_B_007)等项目的资助。
图1 浮萍磷饥饿条件下淀粉积累情况
图2 浮萍磷饥饿条件下参与编码淀粉代谢关键酶的基因表达情况
图3 浮萍磷饥饿条件下参与编码关键磷酸盐转运蛋白和磷酸酶的基因表达情况