李晨陽 孔祥強(qiáng) 董合忠

(1山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2山東棉花研究中心/農(nóng)業(yè)部黃淮海棉花遺傳改良與栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

合理施肥是促進(jìn)作物高產(chǎn)的重要措施，氮肥是最主要的肥料來源，約占施肥總量的60%[1]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是兩類主要氮源，其中硝態(tài)氮是有氧條件下植物從土壤環(huán)境中獲取的主要氮源[1]。植物通過硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)硝態(tài)氮到各種細(xì)胞、組織，促進(jìn)自身生長[2]。在植物體內(nèi)，硝態(tài)氮不能直接與氨基酸結(jié)合，必須在細(xì)胞內(nèi)通過硝酸鹽還原酶轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，或者在質(zhì)體或葉綠體內(nèi)通過亞硝酸鹽還原酶轉(zhuǎn)化為銨，才能與氨基酸結(jié)合以促進(jìn)自身生長[1]。過量的亞硝酸鹽和銨鹽都會對植物產(chǎn)生毒害，但過量的硝態(tài)氮可被儲存在液泡中，植物根據(jù)外部氮素供應(yīng)和對氮素的需求，高度協(xié)調(diào)硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化等過程(圖1)，避免因硝態(tài)氮過量或缺氮對植物產(chǎn)生毒害[1]。但植物如何協(xié)調(diào)多種內(nèi)外部信息，調(diào)節(jié)硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)并在不同組織中同化和儲存，以避免產(chǎn)生毒害和資源浪費(fèi)，促進(jìn)植物生長的機(jī)理尚不明確。因此，本文主要對硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)以及信號感知與轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面進(jìn)行綜述，以期深入理解植物高效利用硝態(tài)氮的機(jī)理，為提高植物氮素利用率的相關(guān)研究提供支持。

1 硝態(tài)氮吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

在任何環(huán)境條件下，植物都需要從土壤中有效吸收硝態(tài)氮，將其分配到不同的源、庫器官中，并調(diào)節(jié)硝態(tài)氮在細(xì)胞中的穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)植物生長。目前，在擬南芥(Arabidopsis thaliana)中已發(fā)現(xiàn)四類具有不同親和力或特異性的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體和通道家族，參與了硝態(tài)氮的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲等過程。這四類轉(zhuǎn)運(yùn)體和通道蛋白家族分別是硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體1(nitrate transporter 1，NRT1)/肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族(peptide transporter family，NPF)、硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體2(nitrate transporter 2，NRT2)、氯離子通道(chloride channel，CLC)家族和緩慢激活的陰離子通道(slowly activating anion channel，SLAC)[1-2]。

圖1 硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲途徑(改自Wang 等[1])Fig.1 Nitrate absorption，transportion，storage process (modified from Wang et al.[1])

1.1 NPF/NRT1和NRT2 轉(zhuǎn)運(yùn)體

植物體內(nèi)存在2種親和力不同的硝態(tài)氮吸收系統(tǒng):低親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(low-affinity transport systems，LATS)和高親和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(high-affinity transport systems，HATS)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥和水稻(Oryza sativa)中分別存在53和93個(gè)NRT1 基因[4-5]。大多數(shù)NRT1 轉(zhuǎn)運(yùn)體是低親和力硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體，但AtNRT1.1/AtNPF6.3和OsNRT1.1B/OsNPF6.5 具有雙重親和力特征[6]。植物中大多數(shù)NRT2s 轉(zhuǎn)運(yùn)體是高親和力硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體，且大多數(shù)NRT2 轉(zhuǎn)運(yùn)功能依賴小多肽NAR2(nitrate assimilation related protein)[7]。擬南芥基因組包含7個(gè)NRT2 基因和2個(gè)NAR2 基因，但只有NAR2.1 在雙組分高親和硝態(tài)氮吸收系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用[7]；水稻基因組中只有4個(gè)NRT2 基因和2個(gè)NAR2 基因[8]。

1.1.1 土壤中硝態(tài)氮的吸收和外排 硝態(tài)氮是大多數(shù)陸生植物的主要氮源。植物根系通過質(zhì)子/硝酸鹽耦聯(lián)機(jī)制主動地從周圍環(huán)境中吸收和外排硝態(tài)氮，硝態(tài)氮同化過程首先需要根系內(nèi)特定轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)根系從周圍環(huán)境中吸收硝態(tài)氮，而這些特定轉(zhuǎn)運(yùn)體包括NRT1、NRT2。NRT1 轉(zhuǎn)運(yùn)體不僅具有硝態(tài)氮的吸收功能，還有硝態(tài)氮的外排功能，以平衡植物體內(nèi)硝態(tài)氮含量，但是NRT1 在促進(jìn)硝態(tài)氮外排時(shí)需要有H+泵參與，以維持植物細(xì)胞膜電位平衡[9]。植物根系木質(zhì)部和韌皮部是參與硝酸鹽吸收和外排的重要場所[2]。目前已知參與植物根系硝態(tài)氮吸收的轉(zhuǎn)運(yùn)體主要有2個(gè)NRT1 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NRT1.1和NPF4.6)和4個(gè)NRT2轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5)，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的硝態(tài)氮吸收能力與植物的生長發(fā)育階段、體內(nèi)氮素含量以及外部環(huán)境氮素含量有關(guān)。

NPF4.6是低親和力硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體，在植物根系周圍硝態(tài)氮濃度較高時(shí)促進(jìn)硝態(tài)氮的吸收[10]。NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5 轉(zhuǎn)運(yùn)體都屬于高親和力硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體，在外部硝態(tài)氮濃度較低時(shí)促進(jìn)硝態(tài)氮的吸收。而NRT1.1是雙親和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體，無論外部環(huán)境硝態(tài)氮濃度高低，都能促進(jìn)硝態(tài)氮吸收，在外界硝態(tài)氮濃度變化的條件下，AtNRT1.1 可以調(diào)控Thr101位點(diǎn)的磷酸化，改變NRT1.1 親和性，使其在不同硝態(tài)氮濃度下都能介導(dǎo)硝態(tài)氮的吸收。當(dāng)外部硝態(tài)氮含量較低時(shí)，AtNRT1.1的Thr101位點(diǎn)磷酸化，將其轉(zhuǎn)化為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體；當(dāng)硝態(tài)氮濃度較高時(shí)，AtNRT1.1 去磷酸化，使其成為低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體[6，11]。AtNRT1.1 除了參與硝態(tài)氮吸收和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)外[11]，還參與植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)生長素[12]。水稻OsNRT1.1B/OsNPF6.5是與AtNRT1.1 同源的轉(zhuǎn)運(yùn)體，其作為雙親和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體參與水稻硝態(tài)氮的吸收以及根莖間硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)[13]。苜蓿(Medicago truncatula)MtNRT1.3 基因在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，也表現(xiàn)為雙親和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)功能，在缺氮條件下可誘導(dǎo)苜蓿該基因的表達(dá)，而在富含硝態(tài)氮的培養(yǎng)基中表達(dá)受到抑制，該轉(zhuǎn)運(yùn)體可能參與植物對缺的應(yīng)答而不是參與根系對硝態(tài)氮吸收[14]。低氮條件可以誘導(dǎo)擬南芥AtNRT2.1和AtNRT2.2表達(dá)，促進(jìn)硝態(tài)氮吸收[15]。Menz 等[16]發(fā)現(xiàn)NRT2.1 中存在3個(gè)磷酸化位點(diǎn)(Ser11、Ser28和Thr511)，高濃度硝態(tài)氮可促進(jìn)Ser28 去磷酸化，使NRT2.1 失活，但低濃度硝態(tài)氮可促進(jìn)Ser28 磷酸化進(jìn)而激活NRT2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)體促進(jìn)硝態(tài)氮吸收，表明NRT2.1 翻譯后磷酸化修飾對不同硝態(tài)氮濃度下根系硝態(tài)氮的吸收具有重要的調(diào)控作用。AtNRT2.4和AtNRT2.5 也均是高親和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在缺氮時(shí)均表現(xiàn)出對硝態(tài)氮吸收，長期氮饑餓可誘導(dǎo)AtNRT2.5表達(dá)[17]。不同NRT2 基因的表達(dá)模式不同，AtNRT2.1 主要在主根的較老部分表達(dá)，AtNRT2.4主要在主根的較嫩部分和側(cè)根表達(dá)，而AtNRT2.5 則在初生根和側(cè)根的根毛表達(dá)[17]，說明不同NRT2 基因時(shí)空表達(dá)可能不同。

植物根中的NPF2.7/NAXT1 (nitrate excretion transporter 1)轉(zhuǎn)運(yùn)體具有硝態(tài)氮外排功能。根中硝態(tài)氮的外排是根硝態(tài)氮凈吸收的組成部分，可克服各種脅迫下物質(zhì)的滲透。在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)條件下，植物根中NPF2.7/NAXT1的表達(dá)降低了根中硝態(tài)氮含量，但naxt1 突變體根中硝態(tài)氮含量升高[9]。在酸負(fù)荷條件下，野生型植物根中外排顯著增加，導(dǎo)致根中含量降低，體內(nèi)和體外突變表型揭示這種反應(yīng)是由NAXT1 介導(dǎo)的，其表達(dá)在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)，通過對植物細(xì)胞質(zhì)膜中硝態(tài)氮外排轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究，為揭示硝態(tài)氮外排轉(zhuǎn)運(yùn)體在脅迫或非脅迫條件下植物的生理功能開辟了一條途徑[9]。因此，根中不同轉(zhuǎn)運(yùn)體協(xié)同互作調(diào)控植物體內(nèi)保持穩(wěn)定的硝態(tài)氮含量，對保障植物在不同氮素條件下持續(xù)生長具有重要作用。

1.1.2 根冠間硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn) 硝態(tài)氮被植物根系吸收以后，被同化利用、儲存在根部并運(yùn)往地上部。硝態(tài)氮在根冠間的轉(zhuǎn)運(yùn)能力不僅與植物種類有關(guān)，而且受環(huán)境因素的影響。多個(gè)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體基因參與調(diào)控硝態(tài)氮在根冠間的轉(zhuǎn)運(yùn)。AtNPF7.3/NRT1.5 介導(dǎo)根系硝態(tài)氮向地上部的運(yùn)輸，npf7.3 突變體中地上部硝態(tài)氮的積累減少，且冠- 根間硝態(tài)氮比例降低[18]。AtNPF7.2/NRT1.8 介導(dǎo)木質(zhì)部的硝態(tài)氮重吸收及參與逆境脅迫的響應(yīng)，該基因受硝態(tài)氮以及生物和非生物脅迫誘導(dǎo)，如鎘(Cd2+)、鹽、冷及病原微生物等[19]。擬南芥npf7.2 突變體表現(xiàn)出氮依賴的鎘敏感表型[19]。非生物脅迫下，NPF7.2和NPF7.3 具有拮抗作用[20]。鹽和Cd2+處理促進(jìn)AtNPF7.2的表達(dá)，抑制AtNPF7.3表達(dá)，減少木質(zhì)部硝態(tài)氮積累，導(dǎo)致根部硝態(tài)氮積累量增多。npf7.3 突變體耐逆性增強(qiáng)，但在非逆境條件下npf7.3 根的生長受到抑制[20]。AtNPF2.3 在鹽脅迫下促進(jìn)根冠間硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)以提高地上部硝態(tài)氮含量，AtNPF2.3基因只在鹽脅迫條件下調(diào)控根冠間硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)，可能是由于在正常條件下AtNPF7.3的活力太強(qiáng)，掩蓋了AtNPF2.3的作用[21]。OsNPF2.2是一種低親和力的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，參與硝態(tài)氮在根冠間的轉(zhuǎn)運(yùn)并影響水稻莖稈中維管束的發(fā)育[22]。正常硝態(tài)氮條件下，osnpf2.2 突變體在根系中保持較高的硝態(tài)氮含量，而莖中木質(zhì)部硝態(tài)氮含量較低，抑制了硝態(tài)氮在根冠間的轉(zhuǎn)運(yùn)[22]，OsNPF2.2 與AtNPF2.3 基因的表達(dá)調(diào)控方式不同。AtNPF2.9/NRT1.9 參與韌皮部硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)，負(fù)調(diào)控硝態(tài)氮在根冠間運(yùn)輸，npf2.9 突變體內(nèi)硝態(tài)氮在木質(zhì)部的向上運(yùn)輸增強(qiáng)，韌皮部的向下轉(zhuǎn)運(yùn)減弱，導(dǎo)致在高氮條件下冠根間硝態(tài)氮的比例增加[23]。硝態(tài)氮在根冠間的轉(zhuǎn)運(yùn)為維持植物生長及更加合理地吸收利用硝態(tài)氮具有重要作用，可避免過多的硝態(tài)氮儲存在根部影響其吸收更多的硝態(tài)氮參與植物生長。

1.1.3 葉片間/葉片內(nèi)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn) 硝態(tài)氮被運(yùn)輸?shù)饺~片后，植物根據(jù)葉的發(fā)育階段、氮需求和硝態(tài)氮儲存能力決定硝態(tài)氮的同化或儲存。不同組織間硝態(tài)氮的協(xié)調(diào)分配是高等植物高效利用硝態(tài)氮的關(guān)鍵。AtNPF6.2/NRT1.4 介導(dǎo)硝態(tài)氮在葉柄的儲存，與野生型相比，npf6.2 突變體中硝態(tài)氮在葉柄積累少，在葉片積累多且葉面積增加，說明葉內(nèi)硝態(tài)氮的自我平衡影響著葉的發(fā)育[24]。AtNPF1.1/NRT1.12和AtNPF1.2/NRT1.11 在富氮條件下可將成熟的葉片中的硝態(tài)氮分配到生長發(fā)育的組織，促進(jìn)新生組織的生長。利用15N 標(biāo)記的硝態(tài)氮處理npf1.1/npf1.2 雙突變體根部后，突變體的成熟葉片中同位素信號積累增加，而嫩葉中降低，但增加外界硝態(tài)氮含量并不能促進(jìn)突變體的生 長，說明AtNPF1.1/NRT1.12和AtNPF1.2/NRT1.11 基因通過調(diào)控硝態(tài)氮向新葉轉(zhuǎn)運(yùn)，在調(diào)控植物嫩葉生長方面發(fā)揮著重要作用[4]。在擬南芥中敲除NPF2.13 基因，導(dǎo)致老葉中硝態(tài)氮積累增加，而老葉韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)物中的硝態(tài)氮含量降低；缺氮條件下，npf2.13 突變體生長遲緩，說明AtNPF2.13/NRT1.7 可將老葉中的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)到嫩葉中促進(jìn)嫩葉生長[25]。AtNPF5.11、AtNPF5.12和AtNPF5.16 定位在液泡膜，在低氮條件下可把儲存在液泡的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，從而維持植物生長[26]。

1.1.4 種子的生長發(fā)育 硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)不僅影響植物耐逆、生長，而且影響種子萌發(fā)和發(fā)育。AtNPF2.12/NRT1.6基因在授粉后表達(dá)量上升，促進(jìn)硝態(tài)氮向發(fā)育中的胚轉(zhuǎn)運(yùn)；npf2.12 突變體成熟種子的硝態(tài)氮含量減少，導(dǎo)致胚發(fā)育缺陷和種子敗育增加，說明NPF2.12 通過介導(dǎo)硝態(tài)氮向胚的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控胚胎發(fā)育和種子育性[27]。AtNPF5.5 也能調(diào)控胚中氮含量，AtNPF5.5 基因可在胚中表達(dá)，npf5.5 突變體的胚中氮含量顯著降低，但該基因如何調(diào)控胚中氮的儲存以及是否抑制胚的發(fā)育和種子的萌發(fā)還有待進(jìn)一步研究[5]。AtNRT2.7 具有調(diào)控種子硝態(tài)氮含量和休眠的作用，AtNRT2.7 在種子中特異性表達(dá)，是唯一定位在液泡膜的NRT2 轉(zhuǎn)運(yùn)體[28]。nrt2.7 突變體種子硝態(tài)氮含量降低35%～70%，暗示NRT2.7 可能通過將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡來調(diào)節(jié)種子硝態(tài)氮含量[28]。

1.1.5 其他功能 NPF 轉(zhuǎn)運(yùn)體除了具有轉(zhuǎn)運(yùn)硝態(tài)氮的功能外，在促進(jìn)植物生長發(fā)育方面同樣具有重要作用。AtNPF6.3/NRT1.1 可調(diào)控植物抗旱性[29]，富氮條件下擬南芥npf6.3 突變體的氣孔導(dǎo)度下降，蒸騰速率降低，植株對干旱脅迫的耐受能力增強(qiáng)，同時(shí)Na+在部分組織中的積累量減少，說明AtNPF6.3 可部分介導(dǎo)或調(diào)節(jié)硝態(tài)氮依賴的Na+轉(zhuǎn)運(yùn)[29-30]。擬南芥NPF轉(zhuǎn)運(yùn)體AtNPF2.4和AtNPF2.5 表現(xiàn)出外排氯化物的活性，AtNPF2.4 介導(dǎo)根冠間氯化物的轉(zhuǎn)運(yùn)并儲存在木質(zhì)部，AtNPF2.5 介導(dǎo)氯化物從根部外流，高鹽條件下AtNPF2.4 基因表達(dá)量下降，而AtNPF2.5表達(dá)量增加，高鹽條件下這2個(gè)基因共同作用可減少地上部氯化物的積累[31]。研究表明，NPF 轉(zhuǎn)運(yùn)體也可以轉(zhuǎn)運(yùn)植物激素，部分NPF 表現(xiàn)出吲哚乙酸(indole-3-acetic acid，IAA)[12]、脫落酸(abscisic acid，ABA)[5]、赤霉素(gibberellins，GA)[32]、茉莉酸- 異亮氨酸復(fù)合物(jasmonoyl-isoleucine，JA-Ile)[33]的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，而部分NPF 既能轉(zhuǎn)運(yùn)硝態(tài)氮，又能轉(zhuǎn)運(yùn)植物激素[34]。

1.2 CLC和SLAC 轉(zhuǎn)運(yùn)體

CLC 廣泛存在于各種植物中，在擬南芥中CLC家族包含7個(gè)成員，分別命名為CLCa～CLCg[35-36]。擬南芥CLCa 蛋白是位于液泡膜的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，功能缺失突變體clca體內(nèi)硝態(tài)氮含量較野生型低50%，進(jìn)一步說明CLCa是促進(jìn)硝態(tài)氮在液泡中儲存的主要成員[35]。CLCa 具有硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)功能是因?yàn)樵贑LCa的選擇性基序中存在1個(gè)脯氨酸殘基[35]。研究發(fā)現(xiàn)，CLCb 定位于液泡膜，具有與CLCa 相同的選擇性基序[36]。關(guān)于非洲爪蟾卵母細(xì)胞的試驗(yàn)證明，CLCb 具有逆向轉(zhuǎn)運(yùn)功能，但不清楚其在植物中是否具有轉(zhuǎn)運(yùn)硝態(tài)氮的功能[36]。

SLACs 參與調(diào)控CO2和ABA 依賴的氣孔關(guān)閉[37-38]。ABA 處理大麥(Hordeum vulgareL.)的葉柄可誘導(dǎo)其葉片氣孔關(guān)閉延遲，而外加硝態(tài)氮處理可恢復(fù)ABA 誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉延遲表型[38]。該通道蛋白家族包含5個(gè)基因，分別是SLAC1和SLAH1～SLAH4(SLAC1 同源物)[39]。利用膜片鉗試驗(yàn)研究氣孔保衛(wèi)細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，SLACs 對硝酸鹽具有很強(qiáng)的偏好性，且SLAC1和SLAC3 在爪蟾卵母細(xì)胞中都具有硝態(tài)氮運(yùn)輸功能[39]。SLAC1的激活導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞的陰離子外流，從而介導(dǎo)氣孔關(guān)閉[39]。SLAH3 對硝態(tài)氮具有更強(qiáng)的選擇性，比選擇氯化物高20倍，因此可認(rèn)為SLAH3是硝酸鹽外排通道[40]。玉米(Zea maysLinn.) 中ZmSLAC1 通過介導(dǎo)硝態(tài)氮的外流參與氣孔關(guān)閉，突變體zmslac1-1和zmslac1-2 在不同的刺激下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的氣孔關(guān)閉不敏感表型，ZmSLAC1的表達(dá)可誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)硝態(tài)氮的外流增加膜電位進(jìn)而恢復(fù)擬南芥雙突atslac1-3/atslah3-2的氣孔關(guān)閉表型[41]，說明SLACs 也具有硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

2 硝態(tài)氮的信號感知、轉(zhuǎn)導(dǎo)和長距離調(diào)控

硝態(tài)氮不僅是一種氮源，而且還可作為信號分子，在根系形態(tài)建成、種子萌發(fā)、枝條發(fā)育和開花等過程中發(fā)揮作用[1]。硝態(tài)氮參與調(diào)控初級硝酸鹽響應(yīng)(primary nitrate response，PNR)過程[42]，可在幾分鐘內(nèi)誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)，并在30 min 內(nèi)達(dá)到峰值。PNR基因的誘導(dǎo)取決于硝態(tài)氮濃度[42]。PNR基因包括硝態(tài)氮同化基因亞硝酸還原酶(nitrite reductase，NIR)和硝酸還原酶(nitrate reductase，NIA1和NIA2 基因)，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因NRT1和NRT2，以及參與戊糖磷酸途徑、糖酵解和海藻糖-6-P 代謝途徑的基因。硝態(tài)氮參與調(diào)控根的生長，包括側(cè)根產(chǎn)生、伸長、根毛生長和初生根生長等[42]。硝態(tài)氮可通過長距離信號調(diào)控整體植物的氮素高效吸收[1]。

2.1 信號感知

硝態(tài)氮作為信號分子，需要被相應(yīng)的受體識別后才能啟動下游的相關(guān)基因從而執(zhí)行特定的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮雙親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體NRT1.1(CHL1/NPF6.3)具有感受硝態(tài)氮信號的受體功能[11，43]。作為雙親和性轉(zhuǎn)運(yùn)體，NRT1.1 通過磷酸化和去磷酸化第101位蘇氨酸來響應(yīng)外界硝酸鹽濃度的變化。當(dāng)外界硝酸鹽濃度較低時(shí)，NRT1.1 通過磷酸化101位蘇氨酸，轉(zhuǎn)換為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體，引發(fā)低水平硝酸鹽反應(yīng)；當(dāng)外界硝酸鹽濃度較高時(shí)，NRT1.1 第101位蘇氨酸去磷酸化，使其轉(zhuǎn)換成低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體，引發(fā)高水平硝酸鹽反應(yīng)[11]。在這一轉(zhuǎn)換過程中，有2個(gè)CIPK(CBLinteraction protein kinase)基因與NRT1.1 相互作用調(diào)控不同濃度的硝酸鹽信號。CIPK8 作為一種正調(diào)控因子特異性地參與低親和響應(yīng)[42]，而在外部硝態(tài)氮含量較低時(shí)，CIPK23 特異性地促進(jìn)NRT1.1 磷酸化，從而促進(jìn)高親和響應(yīng)[11]。

NRT1.1 除了調(diào)控PNR外，還能調(diào)控根系主動覓食硝態(tài)氮。土壤中的硝酸鹽含量往往不均勻，植物為了從中高效吸收硝態(tài)氮，能夠促進(jìn)富氮側(cè)的根系側(cè)根生長，抑制貧氮側(cè)的側(cè)根生長，從而最大可能的吸收養(yǎng)分。具體表現(xiàn)為，在富氮側(cè)，NRT1.1上調(diào)ANR1(Arabidopsisnitrate-regulated 1)促進(jìn)側(cè)根生長；在貧氮側(cè)，NRT1.1 調(diào)節(jié)生長素和分生組織活性抑制側(cè)根生長[43]。ABA 不敏感突變體abi2 也表現(xiàn)出根系主動覓食硝態(tài)氮的表型，這可能是因?yàn)閍bi2 突變體通過CBL1(calcineurin b-like protein 1)和CIPK23的磷酸化調(diào)節(jié)了NRT1.1，說明NRT1.1 與ABA 可能存在交互作用[5]。除NRT1.1 外，植物體內(nèi)可能還存在其他硝態(tài)氮感知蛋白，因?yàn)镹RT1.1的信號感知缺失突變體chl1-5 中PNR 并沒有完全喪失[42]。

2.2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

NRT1.1 感受到硝酸鹽信號后，需要把相應(yīng)信號傳遞到細(xì)胞并啟動相關(guān)基因的表達(dá)，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的生理功能。在這一過程中鈣信號及一些轉(zhuǎn)錄因子起著非常重要的作用[44]。

2.2.1 鈣信號 在植物中，鈣信號是重要的信號分子，參與生物和非生物脅迫響應(yīng)、結(jié)瘤、晝夜節(jié)律和極尖生長等多種調(diào)控過程。利用鈣離子螯合劑EGTA或鈣通道阻滯劑La3+處理后，不同濃度硝酸鹽處理未改變NIR和NIA2 基因表達(dá)，說明鈣離子在硝酸鹽信號通路中具有重要作用[1]。Riveras 等[45]利用水母發(fā)光蛋白報(bào)告基因系，發(fā)現(xiàn)鈣離子響應(yīng)硝酸鹽信號，但是依賴NRT1.1，EGTA和La3+處理后，只有部分PNR 受到影響，表明植物中存在兩條PNR 調(diào)節(jié)途徑:鈣依賴途徑和不依賴鈣的途徑。Liu 等[46]發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮可誘導(dǎo)鈣在細(xì)胞核內(nèi)積累和鈣傳感蛋白激酶(calcium-sensor protein kinase，CPKs)向核內(nèi)快速轉(zhuǎn)移，然后CPKs 磷酸化NLP7(nin-like protein 7)的第205位絲氨酸，從而使NLP7 保留在核內(nèi)調(diào)控PNR，說明鈣離子作為響應(yīng)硝酸鹽信號的第二信使調(diào)控著不同的硝酸鹽反應(yīng)。

2.2.2 轉(zhuǎn)錄因子 硝態(tài)氮信號進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)后，作為PNR 主要調(diào)控因子的NLP7 在核內(nèi)激發(fā)下游一系列轉(zhuǎn)錄因子參與硝態(tài)氮信號傳導(dǎo)。擬南芥nlp7 突變體表現(xiàn)為PNR 受損及根系缺氮表型[47]。硝態(tài)氮調(diào)控NLP7 蛋白穿梭進(jìn)入并保留在細(xì)胞核內(nèi)，但NLP7 基因表達(dá)不受硝態(tài)氮調(diào)控[48]。基因芯片分析表明，當(dāng)硝態(tài)氮存在時(shí)，NLP7 可與851個(gè)基因的啟動子結(jié)合[43]，誘導(dǎo)100個(gè)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體、硝態(tài)氮同化基因和轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)[48]。擬南芥有9個(gè)NLP家族成員，均含有N 端硝態(tài)氮響應(yīng)區(qū)、一個(gè)RWP-RK(RWP-RK 基因家族是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族，該家族在植物硝態(tài)氮信號傳導(dǎo)過程中起核心的調(diào)控作用)DNA 結(jié)合域和一個(gè)PB1(Phox and Bem1)蛋白-蛋白相互作用域[49]。NLP的PB1 結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)的蛋白互作對于誘導(dǎo)植物中硝態(tài)氮依賴基因的表達(dá)是必需的，且該結(jié)構(gòu)域可以在硝態(tài)氮存在下通過同源和異源寡聚化作用于相關(guān)基因表達(dá)[49]。NLP6 與NLP7 同源且顯示硝態(tài)氮誘導(dǎo)的核保留[50]。此外，NLP8 通過響應(yīng)硝態(tài)氮信號，激活A(yù)BA分解代謝酶CYP707A2 促進(jìn)種子萌發(fā)，說明種子萌發(fā)過程中硝態(tài)氮信號與ABA 信號存在相互作用[51]。除了硝態(tài)氮誘導(dǎo)外，NLP家族還參與硝態(tài)氮饑餓信號的傳遞。在細(xì)胞核中，NLP7/6 在缺氮條件下與TCP20(teosinte branched 1/cycloindea/proliferating cell factor)相互作用，調(diào)節(jié)NRT1.1、NIA1和NIA2.1的表達(dá)促進(jìn)根系吸收硝態(tài)氮，說明NLPs 也參與了缺氮條件下的信號調(diào)控[50]。

NLP是硝態(tài)氮信號的核心轉(zhuǎn)錄因子，參與多個(gè)次級轉(zhuǎn)錄因子及靶基因的調(diào)控。硝態(tài)氮調(diào)節(jié)基因(nitrate regulatory gene 2，NRG2)屬于bZIP (basic leucine zipper)家族，是參與硝態(tài)氮反應(yīng)的正調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)NRT1.1 基因的表達(dá)[52]。NRG2 與NLP7 在核內(nèi)互作，但硝態(tài)氮誘導(dǎo)的NLP7 在核內(nèi)的保留不依賴于NRG2[52]。硝態(tài)氮和NLP7 可誘導(dǎo)LBDs(lateral boundary boundary domain)表達(dá)，LBD37、LBD38和LBD39 在硝態(tài)氮饑餓反應(yīng)中起負(fù)調(diào)節(jié)作用，在硝態(tài)氮缺乏條件下抑制NRT1.1、NRT2.1和NIA1的表達(dá)[53]。NLP7/6 可與硝態(tài)氮順式響應(yīng)元件(nitrate response cis-element，NRE)結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)基因在莖尖分生組織(shoot apical meristem，SAM)處的表達(dá)，延遲擬南芥開花[54]。lncRNAT5120(long noncoding RNAT5120)也參與硝態(tài)氮信號傳導(dǎo)，過表達(dá)T5120 促進(jìn)了根系對硝態(tài)氮的響應(yīng)、吸收以及根系的發(fā)育；生化和分子分析表明，NLP7 可結(jié)合T5120 啟動子的NRE，激活T5120轉(zhuǎn)錄，過量表達(dá)T5120 可部分恢復(fù)nlp7 突變體的硝態(tài)氮吸收表型，說明T5120 參與NLP7 介導(dǎo)的硝態(tài)氮調(diào)控通路，同時(shí)，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體NRT1.1 也調(diào)控T5120的表達(dá)[55]。

TGACG 序列模擬結(jié)合因子(TGACG motif-binding factor 1，TGA1)和TGA4 在根形態(tài)建成中起重要作用，TGA1 可以直接與NRT2.1和NRT2.2的啟動子區(qū)結(jié)合，調(diào)控NRT2.1和NRT2.2的表達(dá)[56]。硝態(tài)氮通過NRT1.1、鈣信號和NLP7 信號通路促進(jìn)TGA1和TGA4的表達(dá)[56]。雙突tga1/tga4 在促進(jìn)初生根生長、側(cè)根起始以及根毛密度方面具有硝態(tài)氮依賴的表型，說明TGA1和TGA4 可能在NRT2.1和NRT2.2 上游促進(jìn)側(cè)根形成，而在NRT1.1 下游促進(jìn)根毛生長[57]。此外，硝酸鹽信號還可以通過NAC4(NAM-ATAF-CCUC domain-containing protein)轉(zhuǎn)錄因子、與磷酸鹽信號相關(guān)基因HRS1(hypersensitivity to low pi-elicited primary root shortening 1)和HHO1(HRS1 homolog 1)共同調(diào)控根系生長[58-59]。MADS-box 轉(zhuǎn)錄因子OsMADS57 在低硝態(tài)氮條件下調(diào)節(jié)水稻根冠間的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)[60]。與野生型水稻相比，突變體osmads57的木質(zhì)部硝態(tài)氮含量減少了31%，而過表達(dá)系的木質(zhì)部硝態(tài)氮含量增加了2倍[60]。MYB(myeloblastosis)類轉(zhuǎn)錄因子是高等植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，谷子SiMYB42 主要在其葉或根表達(dá)，低氮脅迫能夠誘導(dǎo)SiMYB42表達(dá)[61]。在低氮條件下，轉(zhuǎn)SiMYB42 基因擬南芥的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因NRT2.1、NRT2.4和NRT2.5的表達(dá)量和根系生長顯著高于野生型，且在NRT2.1、NRT2.4和NRT2.5 基因啟動子序列中均具有MYB 結(jié)合位點(diǎn)，暗示SiMYB42 可以通過調(diào)控硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)增強(qiáng)植物在低氮條件下的抗性[61]。

2.3 硝態(tài)氮的長距離信號調(diào)控

氮素含量在大田土壤中的分布通常是不均勻的，且植物各器官中的氮素含量也隨著土壤氮素含量和生長發(fā)育時(shí)期的不同而逐漸變化。植物可根據(jù)外界硝態(tài)氮狀態(tài)以及植物內(nèi)部硝態(tài)氮含量，整合調(diào)控根-冠、冠-根和細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，協(xié)調(diào)氮吸收、同化和植物生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，CEP1-CEPR1/2-CEPD1/2 (Cterminally encoded peptide 1，CEP1；CEP receptor 1 and 2，CEPR1/2；CEP downsteam 1 and 2，CEPD1/2)信號通 路和CLE-CLV1/HAR1 (clavate 3/embryosurrounding region，CLE；clavata 1，CLV1；hypernodulation aberrant root 1，HAR1)信號通路參與了氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的長距離信號調(diào)控[62-64]。

2.3.1 CEP1-CEPR1/2-CEPD1/2 信號通路 在根區(qū)氮素不均勻分布條件下，植物為了滿足自身氮素需求，可從富氮側(cè)根系大量吸收硝態(tài)氮[64]。Ohkubo 等[64]在室內(nèi)利用分根方法研究了這一調(diào)控機(jī)理。在根區(qū)硝態(tài)氮差異分布條件下，低氮側(cè)根系小分子多肽基因CEP受低氮誘導(dǎo)表達(dá)，合成小分子多肽CEP，然后CEP 通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部。在地上部，CEP 在葉片維管束中誘導(dǎo)CEPR1和CEPR2表達(dá)產(chǎn)生富含亮氨酸的受體激酶CEPR1和CEPR2[64]；CEPR1和CEPR2 能夠誘導(dǎo)CEPD1和CEPD2 基因表達(dá)，生產(chǎn)CEPD 蛋白；地上部合成的CEPD 蛋白可通過韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)到擬南芥分根系統(tǒng)兩側(cè)根系，但只在高氮側(cè)根系誘導(dǎo)硝態(tài)氮吸收基因NRT2.1表達(dá)，促進(jìn)高氮側(cè)硝態(tài)氮吸收，滿足整株氮素需求[64]。這一機(jī)制說明植物可通過根-冠間信號傳導(dǎo)調(diào)控氮素吸收。

2.3.2 CLE-CLV1/HAR1 信號通路 CLE3是一種分泌型的信號肽，編碼該信號肽的CLE1、CLE3、CLE4和CLE7 基因可被低氮誘導(dǎo)[65]。過表達(dá)CLE1、CLE3、CLE4和CLE7 基因抑制側(cè)根的發(fā)生，且這一抑制作用依賴于受體激酶CLV1的存在[1，65]。在根系中，CLV3主要在中柱鞘細(xì)胞中表達(dá)，而CLV1 在韌皮部細(xì)胞表達(dá)，這2個(gè)基因的表達(dá)部位不同，但要協(xié)同發(fā)揮作用，暗示它們可能通過細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)或長距離信號通訊方式來發(fā)揮作用[65]。事實(shí)上，CLV1 也在地上部表達(dá)，但是這個(gè)調(diào)控通路中是否需要“根-冠-根”間的通信來抑制缺氮條件下根系的發(fā)育還有待確定[1]。

“根-冠-根”間的CLE-RS-HAR1 信號通路參與根瘤形成的負(fù)反饋調(diào)節(jié)[62]。在這一信號通路中，根系合成的CLE 多肽分泌到根系的維管束組織，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，被位于地上部富含亮氨酸重復(fù)的亞家族(leucine-rich repeats RLK，LRR-RLK)受體HAR1 所感知，HAR1 與擬南芥中CLV1 同源，HAR1 參與CLERS1(CLE root signal 1)和CLE-RS2 對根瘤形成的抑制作用[63]。Soyano 等[63]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)節(jié)起始(nodule inception，NIN)直接調(diào)節(jié)CLE-RS1和CLE-RS2的表達(dá)并激活結(jié)瘤自動調(diào)節(jié)(autoregulation of nodulation，AON)的轉(zhuǎn)錄因子HAR1，地上部HAR1 介導(dǎo)CLE-RS1和CLE-RS2的表達(dá)并降低NIN的活性，抑制根瘤形成，通過根冠間的長距離信號調(diào)控根瘤的合適比例[63]。

3 硝態(tài)氮的利用效率

氮肥對促進(jìn)農(nóng)作物生長、提高農(nóng)作物產(chǎn)量起著重要的作用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用的氮肥約30%～50%被作物吸收利用，剩余部分大都通過土壤流失到地下水系，污染環(huán)境[1]。提高硝態(tài)氮利用效率(nitrogen-use efficiiency，NUE)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中降低肥料投入成本，減輕環(huán)境污染的有效措施。NUE是一種復(fù)雜的農(nóng)藝性狀，涉及吸收、同化、運(yùn)輸和信號傳導(dǎo)等多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的步驟。通過遺傳和轉(zhuǎn)錄組測序的方法篩選高效利用硝態(tài)氮的種質(zhì)，比如秈稻，一方面，秈稻與粳稻的NRT1.1B基因間存在一個(gè)堿基差異，導(dǎo)致一個(gè)氨基酸變化，使得秈稻的氮素吸收能力高于粳稻[13]；另一方面，秈稻中該轉(zhuǎn)運(yùn)體高效表達(dá)可在其根部富集參與氨化過程的微生物群，進(jìn)而促進(jìn)秈稻生長及提高產(chǎn)量[66]。通過轉(zhuǎn)基因方法操縱涉及硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和信號傳導(dǎo)基因的表達(dá)可提高NUE 并促進(jìn)作物生長和提高作物產(chǎn)量[1]。過表達(dá)NRT1(NPF)和NRT2家族中的轉(zhuǎn)運(yùn)體是提高NUE的一種有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，田間硝態(tài)氮差異分布條件下，過表達(dá)水稻OSNRT2.3b基因不僅促進(jìn)硝態(tài)氮和鐵的吸收，而且提高轉(zhuǎn)基因水稻在低氮和高氮條件下的產(chǎn)量[67]。過表達(dá)OsNPF7.3 基因的轉(zhuǎn)基因水稻分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和籽粒含氮量均高于野生型植株，說明過表達(dá)OsNPF7.3 基因可提高NUE[68]。谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)通過GS-GOGAT(glutamine synthetase-glutamate synthase)循環(huán)將銨與谷氨酰胺結(jié)合在一起，是植物將無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的關(guān)鍵步驟[69]。水稻中泛素啟動子驅(qū)動OsGS1的表達(dá)可提高產(chǎn)量[69]，說明提高氮素同化酶表達(dá)也是提高作物氮素利用效率的有效途徑。

調(diào)控硝態(tài)氮吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)錄因子在氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化、信號傳導(dǎo)和氮/碳平衡方面起著重要的調(diào)控作用。過量表達(dá)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子可同步提高多個(gè)涉及氮素吸收、同化基因，比過量表達(dá)單個(gè)基因具有更強(qiáng)的提高NUE的功能。擬南芥中過表達(dá)NLP7，可同時(shí)提高轉(zhuǎn)基因擬南芥NRT1.1、NRT2.1、NIA1、NIR1 基因表達(dá)，提高光合速率和碳同化效率，從而增加植株生物量，但敲除NLP7 基因降低了氮和碳的同化效率[70]。在小麥(Triticum aestivumL.)中過表達(dá)TaNAC2-5A促進(jìn)了硝態(tài)氮的吸收和根系生長，從而提高了NUE[71]。過表達(dá)小麥中低氮脅迫誘導(dǎo)的NFYA(nuclear factor Y A)轉(zhuǎn)錄因子TaNFYA-B1 可顯著提高氮吸收量和籽粒產(chǎn)量[72]。正常培養(yǎng)條件下，轉(zhuǎn)GmATG8c(autophagosome formation)基因擬南芥生長速度快，抽薹早，初生和腋生花序大，較野生型平均增產(chǎn)12.9%[73]。氮素調(diào)控相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子在植物耐逆方面也起著重要作用。干旱低氮脅迫條件下，轉(zhuǎn)AtTGA4 基因植株的硝態(tài)氮和脯氨酸含量增加，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)基因NRT2.1、NRT2.2和硝酸還原酶基因NIA1、NIA2的表達(dá)均高于野生型植株，過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子AtTGA4 在緩解缺氮表型的同時(shí)提高了擬南芥的抗旱性[74]。

栽培管理技術(shù)可以提高作物NUE。如在小麥種植中增加種植密度與減少施氮量適當(dāng)組合可以調(diào)節(jié)分蘗數(shù)量并利于優(yōu)化分蘗，可提高小麥產(chǎn)量和NUE，氮肥可緩解干旱對小麥苗期根形態(tài)的建成，進(jìn)而提高小麥NUE[75-76]。小麥與蠶豆(Vicia fabaL.)間作并控制氮肥施用量可以改善農(nóng)田小氣候，有效控制蠶豆銹病的發(fā)生，進(jìn)而合理利用種植空間達(dá)到提高小麥與蠶豆NUE的目的[77]。劉宇輝等[78]研究發(fā)現(xiàn)，在海河流域，化肥減量配施菌肥有機(jī)肥顯著增加了土壤氮礦化量，并提高了玉米氮素生理利用率和氮素收獲指數(shù)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田增效減負(fù)和提高NUE 提供了理論依據(jù)。Yang等[79]研究發(fā)現(xiàn)，棉花(Gossypium hirsutumLinn.)對底肥氮吸收比例最小，對初花肥氮利用率最高；減施底肥氮、增施初花肥氮均顯著提高棉花NUE。此外，外施植物生長調(diào)節(jié)劑也可調(diào)控作物NUE。在植物根部施加木霉菌能夠促進(jìn)根從周圍土壤中獲取養(yǎng)分，并顯著提高作物NUE[80]。目前仍不清楚這些栽培措施或外施調(diào)節(jié)劑等處理是否通過調(diào)控氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)中基因表達(dá)提高了NUE，深入研究不同處理后氮素相關(guān)基因的表達(dá)，可為揭示相關(guān)機(jī)理提供新的線索。

4 結(jié)論與展望

氮素是植物生長必需的關(guān)鍵營養(yǎng)元素，提高氮素利用率是農(nóng)作物施肥的重要目標(biāo)。培育氮肥高效利用品種和采用科學(xué)合理的氮肥運(yùn)籌方式，可以提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用率，對解決因過量施用氮肥帶來的環(huán)境污染問題具有重要意義。硝態(tài)氮是植物從根系中吸收利用的主要氮源，不同的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)體受植物材料本身和外界環(huán)境以及生長發(fā)育時(shí)期的調(diào)控。目前，模式植物擬南芥硝態(tài)氮吸收、利用及信號調(diào)控機(jī)理研究已經(jīng)比較深入。但是在大部分農(nóng)作物中，硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和信號調(diào)控機(jī)理的研究還很少。圍繞氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，提高作物氮肥利用率，應(yīng)著重開展如下工作:

4.1 深入研究氮素利用相關(guān)基因的功能

植物硝態(tài)氮感知、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化是個(gè)非常復(fù)雜的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。雖然已經(jīng)在模式植物擬南芥中進(jìn)行了較為深入的研究，但不同植物間以及同種作物不同品種或品系間的基因功能仍有差異。因此，需要立足相關(guān)作物開展針對性研究。一方面，根據(jù)擬南芥等植物中已知基因，克隆作物中相關(guān)同源基因，深入研究其功能，比較其與已知基因功能的異同；另一方面，選取在氮素吸收、利用等方面具有差異的種質(zhì)材料，通過雜交群體構(gòu)建、高通量測序及分子標(biāo)記等手段，克隆相關(guān)基因，深入研究其功能及相關(guān)基因位點(diǎn)突變對氮素吸收、利用差異的機(jī)理；田間硝態(tài)氮含量常隨時(shí)間和空間的變化而變化，深入研究硝態(tài)氮感知及長距離信號相關(guān)基因的功能可能對提高田間作物氮素利用率具有更直接的指導(dǎo)意義。

4.2 篩選和培育高效利用氮素的種質(zhì)和品種

從不同農(nóng)作物的種質(zhì)資源庫中篩選氮肥利用差異種質(zhì)，或通過突變體誘變等方法獲得氮素利用差異的材料；利用高通量測序等現(xiàn)代分子生物學(xué)手段開發(fā)分子標(biāo)記或克隆相關(guān)基因。同時(shí)，隨著大量硝態(tài)氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等促進(jìn)氮素吸收的關(guān)鍵基因的鑒定和CRISPR/Cas 等新技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合分子生物學(xué)、分子標(biāo)記和傳統(tǒng)育種學(xué)等方法，聚合多個(gè)氮素高效利用基因，培育氮肥高效利用新品種。

4.3 創(chuàng)新提高氮素利用率的農(nóng)藝技術(shù)

深入研究不同作物在不同發(fā)育時(shí)期、不同器官以及不同生態(tài)條件(高氮、低氮、高鹽、干旱)下氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和信號調(diào)控等基因的表達(dá)模式，及其對作物氮素利用和產(chǎn)量的影響，對現(xiàn)有施肥措施和栽培模式進(jìn)行調(diào)整，制定充分協(xié)調(diào)氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化相關(guān)過程的氮肥高效利用技術(shù)，為農(nóng)業(yè)氮肥高效利用提供技術(shù)支撐。