自然环境中，植物时常遭遇各类胁迫。植物体内能量与物质总量有限，当大量资源投入逆境响应通路，其生长发育就会受到一定程度的抑制。精准调控两套通路的资源分配，平衡好“生长发育”与“胁迫响应”两大过程，是培育高产抗逆优良作物品种的关键。
磷（P）是植物生长发育所必需的大量营养元素，广泛参与光合作用、能量代谢、核酸与磷脂等关键生物大分子合成。植物仅能吸收利用土壤中的无机磷酸盐（Pi）。然而，土壤中磷酸盐易被固定、扩散速率慢，全球近67%耕地存在有效磷匮乏问题。当前农田磷肥利用率仅15%-25%。盲目增施磷肥不仅利用率低下，而且多余磷素随雨水冲刷流入河湖，还会引发水体富营养化等环境问题。与此同时，生产磷肥的磷矿属于不可再生资源，据预估，现有储量或将在本世纪末面临枯竭。在此背景下，培育自身耐低磷能力强、磷吸收利用效率高的作物品种，减少农田磷肥施用，实现养分高效利用，对发展低碳、绿色、可持续现代农业有着重要的现实意义。
近日，浙江大学生命科学学院王智烨团队在《Plant Cell》期刊发表题为“Improving low-phosphate tolerance via tissue-specific CRISPR/Cas9 knockout to balance growth and stress responses in rice” 的研究论文，成功建立了水稻组织特异性基因敲除系统（riceCRISPR-TSKO），借助该工具在水稻维管组织中定向敲除缺磷胁迫响应负调控基因，平衡植物生长与胁迫响应，有效提高了水稻耐低磷能力和产量。该研究表明维管组织是水稻缺磷响应信号调控的重要组织和改良靶点，也为空间靶向基因编辑实现作物抗逆改良提供重要思路。
植物依靠缺磷胁迫响应（PSR）信号网络调控磷素吸收与转运。其中，PHO2和SPX1/2是PSR通路的两大关键“制动器”，协同抑制缺磷响应信号和磷吸收，让植物灵活适应土壤有效磷含量变化。然而，全株敲除这些PSR抑制基因会导致磷稳态严重失衡—叶片磷素过度积累、生长受抑和减产。王智烨团队成功将组织特异性基因敲除技术应用于水稻，构建水稻组织特异性CRISPR/Cas9敲除系统（riceCRISPR-TSKO），并借助PPHO1;2和PSHR1两种维管特异性启动子驱动Cas9表达，仅在水稻维管组织中精准敲除PSR抑制基因，避免了整株基因敲除带来的磷稳态失衡问题。
水培试验结果显示，维管组织特异敲除PSR抑制基因（TSKO）的水稻植株，叶片和根系磷浓度适度升高（较野生型分别增加约85%和16%），植株根系向地上部转运磷的能力增强，且整体磷稳态未被破坏；与之形成鲜明对比的是PSR抑制基因全株敲除的pho2-1突变体，该材料叶片过度积累磷素，伴随明显叶尖坏死等异常表型。后续低磷大田试验进一步证实了TSKO株系耐低磷能力的提升效果。相较于野生型，TSKO水稻有效分蘖数与单株产量均显著提升。反观pho2-1全株敲除突变体，在低磷农田环境下生长发育受到严重抑制、产量大幅下降。该优良性状不局限于单一背景，在日本晴和中花11两种水稻品种中，TSKO水稻均表现出更强的耐低磷能力。多年多代（培育至T4代）田间试验结果证明，TSKO水稻具备的低磷耐受优势可跨代稳定保持。同时，TSKO水稻糙米中钙、铜、锌、锰等微量元素与野生型基本一致，籽粒营养品质未发生改变。此外，在常规供磷农田条件下，TSKO水稻长势与野生型无明显差别，实现了“低磷环境稳产增产、正常磷水平生长不受损害”的优良特性。
水稻根系转录组PCA分析结果显示，TSKO株系与野生型样本聚类高度重合，而pho2-1单独分群，表明维管组织特异性敲除未引发系统性转录组重编程。单细胞RNA-seq重分析发现，缺磷诱导（PSI）相关基因在根系维管组织表达富集，提示维管组织是PSR空间调控的关键组织。RT-qPCR进一步证实，IPS1、IPS2、PT2和NSP1等在维管组织表达的关键PSI基因在TSKO中适度上调，而在pho2-1中则异常高表达。依托组织特异性基因编辑实现的“适度增强而非过度激活”，精准模拟了植物内源调控的有益效应，兼顾植物正常生长与缺磷胁迫响应，实现二者平衡。
该研究将CRISPR-TSKO技术拓展至主粮作物，建立了水稻高效组织特异性基因编辑系统，为水稻农艺性状改良及组织特异性功能研究提供了新工具。同时，研究结果提示维管组织在缺磷响应信号空间调控中的关键作用。总之，该项工作通过组织特异性基因敲除手段，打破了植物生长与缺磷胁迫响应的固有权衡，在组织维度进行了养分高效利用性状的改良，为可持续农业的分子设计育种开辟了新思路。
图1. 通过维管组织特异性基因敲除技术提高水稻耐低磷能力和产量
浙江大学生命科学学院王智烨长聘副教授为该论文通讯作者，博士生魏广博为第一作者。此外，浙江大学毛传澡教授、南京农业大学顾冕教授和浙江大学周鸣川研究员提供了关键支持，浙江大学生命科学学院本科生张新莲、罗红荔、何奕辰也参与了该项工作。该研究受科技部重点研发专项、浙江省杰出青年基金和国家高层次人才引进项目等资助。
原文链接：https://academic.oup.com/plcell/article/38/6/koag170/8704026?searchresult=1
