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玉米是世界主要粮食作物和饲料作物之一，具有产量高、增产潜力大、种植范围广等特点。磷移动性差、生物有效性低，且在土壤中呈异质性分布，如何提高玉米磷养分吸收和利用效率，是养分高效、玉米高产的重要科学问题和养分管理难题。田间缺氮条件下，雌穗变短并且产生非常典型的秃尖现象，造成籽粒大幅减产。作为植物必需的另外一种大量元素磷如何影响玉米的生长以及在后期生殖生长期间如何调控雌穗碳氮同化产物的积累，目前仍鲜有报道。
近日，中国农业大学资源与环境学院李学贤教授课题组在Journal of experimental Botany在线发表了题为Cis-regulation of the amino acid transporter genes ZmAAP2 and ZmLHT1 by ZmPHR1 transcription factors in maize earunder phosphate limitation的研究论文，探索了田间适度低磷条件下玉米雌穗的形态表型变化，并在生理与分子水平上揭示了玉米雌穗响应低磷胁迫的调控机制。
该研究发现，不同于低氮条件下的雌穗表型，适度低磷条件下，玉米雌穗长度并无显著变化，但造成籽粒稀疏的表型。将玉米分为不同组织 （雌穗、苞叶、花丝、叶、雄穗、茎、根） 发现，低磷条件下雌穗、叶和根的生物量均显著降低，并且抑制雌穗中氮、磷、钾、硫元素以及氮同化产物 （可溶性蛋白、游离氨基酸） 的积累。转录组测序发现低磷导致大量转运蛋白基因下调表达，并且37%的差异表达基因启动子存在P1BS顺式作用元件，包括氨基酸、多肽转运与代谢相关基因。其中，ZmAAP2和ZmLHT1均为定位于细胞膜的广谱氨基酸转运蛋白，在酵母系统中介导脯氨酸、GABA、谷氨酸、瓜氨酸、天冬氨酸吸收。通过酵母单杂交、EMSA、ChIP-qPCR以及烟草双荧光素酶实验发现ZmPHR1.1和ZmPHR1.2直接结合 ZmAAP2 和 ZmLHT1 启动子上的P1BS元件，并调控其表达。
综上所述，该项研究揭示了玉米雌穗在低磷胁迫条件下的形态与生理变化、ZmPHR1在玉米雌穗响应低磷过程中的基础调控作用以及其维持雌穗中有机形态氮和磷动态平衡的生物学机理。
中国农业大学博士研究生王瑞丰为文章第一作者，李学贤教授为文章通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/jxb/erab103