華南農(nóng)大儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)—氮素調(diào)控植物根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)

· 文 章 摘 要 ·

根系是植物吸收氮素的關(guān)鍵器官，主根、側(cè)根、根毛等的數(shù)量和長度特征構(gòu)成了不同植物、不同品種所特有的根系構(gòu)型 (root system architecture，RSA)。對(duì)作物而言，能夠靈敏感知根際氮素環(huán)境并及時(shí)做出適當(dāng)調(diào)整的RSA是其氮素高效利用及高產(chǎn)的基礎(chǔ)。因此，解析氮素影響RSA的遺傳基礎(chǔ)對(duì)作物氮素高效改良具有重要意義。本文總結(jié)了植物對(duì)局部氮信號(hào)及系統(tǒng)氮信號(hào)感知及傳導(dǎo)的通路，系統(tǒng)歸納了擬南芥及主要作物中氮素調(diào)控RSA遺傳基礎(chǔ)的研究進(jìn)展，為了更加系統(tǒng)精細(xì)的解析其遺傳基礎(chǔ)，需要利用無損的方式獲得根系表型，利用單細(xì)胞技術(shù)對(duì)特定細(xì)胞類型中的基因功能進(jìn)行解析，并深入探究表型、基因型和管理措施間的相互作用。

· 文 章 亮 點(diǎn) ·

1. 植物根系構(gòu)型可以響應(yīng)環(huán)境中的氮素并做出調(diào)整。2. 氮和激素間存在復(fù)雜的調(diào)控，協(xié)同完成調(diào)控根系的發(fā)育。3. 單細(xì)胞等新興技術(shù)的利用將有助于推動(dòng)根系構(gòu)型遺傳基礎(chǔ)的解析。

· Graphical abstract ·

· 研 究 內(nèi) 容 ·

▎引言

氮素是植物生長所需的大量元素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上氮肥的使用是保障作物產(chǎn)量和全球糧食安全的基礎(chǔ)。氮素在土壤中的分布往往是不均勻的，為了適應(yīng)這種土壤環(huán)境，植物進(jìn)化出一系列策略以保證自身的生長。例如，植物中硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為低親和和高親和兩種類型，分別在硝酸鹽濃度較高或較低時(shí)行使功能。此外，作為吸收營養(yǎng)的主要器官，根系在不同氮條件下的可塑性是植物應(yīng)對(duì)不同氮環(huán)境的一種重要方式，這可稱為氮依賴的根系構(gòu)型 (root system architecture, RSA)。本文總結(jié)了不同氮條件下植物感知氮信號(hào)并調(diào)控根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)，并展望了今后研究中值得關(guān)注的方向。

▎氮依賴的植物根系構(gòu)型

土壤中氮素的種類、含量、分布以及植物體內(nèi)氮狀態(tài)均會(huì)影響根系構(gòu)型。一般而言，銨鹽會(huì)促進(jìn)根系分枝，抑制根系伸長，硝酸鹽則會(huì)促進(jìn)根系伸長。與氮素充足的情況相比，極度缺氮會(huì)抑制根系生長，適度缺氮?jiǎng)t會(huì)促進(jìn)根系生長以提高氮素吸收能力。

▎植物中的氮信號(hào)通路植物中的局部硝酸鹽信號(hào)主要由定位于細(xì)胞膜上的受體蛋白NRT1.1感知，通過促進(jìn)NLP類轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入細(xì)胞核，激活硝酸鹽響應(yīng)基因表達(dá)。不同植物中NRT1.1影響NLP入核的機(jī)制有所不同。擬南芥中AtNRT1.1通過促進(jìn)NLP7磷酸化，促進(jìn)其入核，水稻中OsNRT1.1B通過招募NBIP1泛素化降解SPX4，從而使被SPX4滯留在細(xì)胞質(zhì)中的NLP3進(jìn)入細(xì)胞核。 細(xì)胞分裂素、小肽在根和地上部分間的轉(zhuǎn)運(yùn)是氮信號(hào)長距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞健Ｔ诟蠳LP7激活的硝酸鹽信號(hào)可以促進(jìn)細(xì)胞分裂素的產(chǎn)生，細(xì)胞分裂素轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分后通過影響生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，調(diào)控生長素的分布，進(jìn)而促進(jìn)植物生長。地上部分細(xì)胞分裂素的響應(yīng)過程同樣會(huì)產(chǎn)生信號(hào)物質(zhì)，轉(zhuǎn)運(yùn)至根部，調(diào)控根系發(fā)育。缺氮條件下，中柱鞘中CLE3表達(dá)量升高，并進(jìn)入韌皮部伴胞與CLV1發(fā)生相互作用，將缺氮信號(hào)傳遞至下游組分，抑制側(cè)根生長。此外，氮饑餓條件下的根部會(huì)有CEP產(chǎn)生，轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分后被受體CEPR1和CEPR2識(shí)別，誘導(dǎo)產(chǎn)生CEP DOWNSTREAM 1/2，經(jīng)韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)至根部后，可以激活位于土壤含氮量豐富部位的根中NRT2.1的表達(dá)。此外，地上部分氮素含量低于一定閾值時(shí)，CEPD-like 2會(huì)被激活并轉(zhuǎn)運(yùn)到根中促進(jìn)氮素吸收。▎氮素調(diào)控根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)1. 氮素依賴的主根生長

銨鹽會(huì)使主根伸長區(qū)生長素轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔钚孕问?，從而抑制主根伸長。WRKY46可以直接抑制生長素失活相關(guān)基因的表達(dá)，緩解銨鹽對(duì)根長的抑制作用。

硝酸鹽對(duì)主根伸長的促進(jìn)作用是

· 文 章 摘 要 ·

根系是植物吸收氮素的關(guān)鍵器官，主根、側(cè)根、根毛等的數(shù)量和長度特征構(gòu)成了不同植物、不同品種所特有的根系構(gòu)型 (root system architecture，RSA)。對(duì)作物而言，能夠靈敏感知根際氮素環(huán)境并及時(shí)做出適當(dāng)調(diào)整的RSA是其氮素高效利用及高產(chǎn)的基礎(chǔ)。因此，解析氮素影響RSA的遺傳基礎(chǔ)對(duì)作物氮素高效改良具有重要意義。本文總結(jié)了植物對(duì)局部氮信號(hào)及系統(tǒng)氮信號(hào)感知及傳導(dǎo)的通路，系統(tǒng)歸納了擬南芥及主要作物中氮素調(diào)控RSA遺傳基礎(chǔ)的研究進(jìn)展，為了更加系統(tǒng)精細(xì)的解析其遺傳基礎(chǔ)，需要利用無損的方式獲得根系表型，利用單細(xì)胞技術(shù)對(duì)特定細(xì)胞類型中的基因功能進(jìn)行解析，并深入探究表型、基因型和管理措施間的相互作用。

· 文 章 亮 點(diǎn) ·

1. 植物根系構(gòu)型可以響應(yīng)環(huán)境中的氮素并做出調(diào)整。2. 氮和激素間存在復(fù)雜的調(diào)控，協(xié)同完成調(diào)控根系的發(fā)育。3. 單細(xì)胞等新興技術(shù)的利用將有助于推動(dòng)根系構(gòu)型遺傳基礎(chǔ)的解析。

· Graphical abstract ·

· 研 究 內(nèi) 容 ·

▎引言

氮素是植物生長所需的大量元素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上氮肥的使用是保障作物產(chǎn)量和全球糧食安全的基礎(chǔ)。氮素在土壤中的分布往往是不均勻的，為了適應(yīng)這種土壤環(huán)境，植物進(jìn)化出一系列策略以保證自身的生長。例如，植物中硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為低親和和高親和兩種類型，分別在硝酸鹽濃度較高或較低時(shí)行使功能。此外，作為吸收營養(yǎng)的主要器官，根系在不同氮條件下的可塑性是植物應(yīng)對(duì)不同氮環(huán)境的一種重要方式，這可稱為氮依賴的根系構(gòu)型 (root system architecture, RSA)。本文總結(jié)了不同氮條件下植物感知氮信號(hào)并調(diào)控根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)，并展望了今后研究中值得關(guān)注的方向。

▎氮依賴的植物根系構(gòu)型

土壤中氮素的種類、含量、分布以及植物體內(nèi)氮狀態(tài)均會(huì)影響根系構(gòu)型。一般而言，銨鹽會(huì)促進(jìn)根系分枝，抑制根系伸長，硝酸鹽則會(huì)促進(jìn)根系伸長。與氮素充足的情況相比，極度缺氮會(huì)抑制根系生長，適度缺氮?jiǎng)t會(huì)促進(jìn)根系生長以提高氮素吸收能力。

▎植物中的氮信號(hào)通路植物中的局部硝酸鹽信號(hào)主要由定位于細(xì)胞膜上的受體蛋白NRT1.1感知，通過促進(jìn)NLP類轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入細(xì)胞核，激活硝酸鹽響應(yīng)基因表達(dá)。不同植物中NRT1.1影響NLP入核的機(jī)制有所不同。擬南芥中AtNRT1.1通過促進(jìn)NLP7磷酸化，促進(jìn)其入核，水稻中OsNRT1.1B通過招募NBIP1泛素化降解SPX4，從而使被SPX4滯留在細(xì)胞質(zhì)中的NLP3進(jìn)入細(xì)胞核。 細(xì)胞分裂素、小肽在根和地上部分間的轉(zhuǎn)運(yùn)是氮信號(hào)長距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞?。在根中NLP7激活的硝酸鹽信號(hào)可以促進(jìn)細(xì)胞分裂素的產(chǎn)生，細(xì)胞分裂素轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分后通過影響生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，調(diào)控生長素的分布，進(jìn)而促進(jìn)植物生長。地上部分細(xì)胞分裂素的響應(yīng)過程同樣會(huì)產(chǎn)生信號(hào)物質(zhì)，轉(zhuǎn)運(yùn)至根部，調(diào)控根系發(fā)育。缺氮條件下，中柱鞘中CLE3表達(dá)量升高，并進(jìn)入韌皮部伴胞與CLV1發(fā)生相互作用，將缺氮信號(hào)傳遞至下游組分，抑制側(cè)根生長。此外，氮饑餓條件下的根部會(huì)有CEP產(chǎn)生，轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分后被受體CEPR1和CEPR2識(shí)別，誘導(dǎo)產(chǎn)生CEP DOWNSTREAM 1/2，經(jīng)韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)至根部后，可以激活位于土壤含氮量豐富部位的根中NRT2.1的表達(dá)。此外，地上部分氮素含量低于一定閾值時(shí)，CEPD-like 2會(huì)被激活并轉(zhuǎn)運(yùn)到根中促進(jìn)氮素吸收。▎氮素調(diào)控根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)1. 氮素依賴的主根生長

銨鹽會(huì)使主根伸長區(qū)生長素轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔钚孕问?，從而抑制主根伸長。WRKY46可以直接抑制生長素失活相關(guān)基因的表達(dá)，緩解銨鹽對(duì)根長的抑制作用。

硝酸鹽對(duì)主根伸長的促進(jìn)作用是通過調(diào)控根中的生長素、脫落酸 (ABA) 和油菜素內(nèi)酯 (BR) 實(shí)現(xiàn)的。硝酸鹽可以促進(jìn)生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN2去磷酸化和其極性定位，影響生長素的分布，此外，microRNA393和生長素受體蛋白AFB3協(xié)同調(diào)控硝酸鹽依賴的主根生長。硝酸鹽可以激活BG1基因的表達(dá)，提高根中活性ABA含量，促進(jìn)主根生長。輕度氮缺乏時(shí)，油菜素內(nèi)酯受體基因BRI1-ASSOCIATED RECPTOR KINASE 1和合成基因DWARF1表達(dá)量升高，促進(jìn)根系生長。BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE3是調(diào)控低氮條件下根系生長的關(guān)鍵因子，此外，CALMODULIN-LIKE-8可以與PEP1 RECEPTOR 2發(fā)生相互作用，通過整合BR信號(hào)和硝酸鹽信號(hào)調(diào)控低氮條件下的根系發(fā)育。

2. 氮素依賴的側(cè)根生長銨鹽會(huì)抑制側(cè)根伸長但促進(jìn)側(cè)根分枝。銨鹽的吸收伴隨著質(zhì)子外排，造成質(zhì)外體酸化，使得生長素質(zhì)子化，進(jìn)而被生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AUX1和LAX3轉(zhuǎn)運(yùn)至側(cè)根原基外側(cè)的表皮細(xì)胞，通過激活細(xì)胞壁重塑相關(guān)基因表達(dá)，使細(xì)胞壁松弛，減少側(cè)根外伸的機(jī)械阻力。無氮或低硝條件下，NRT1.1會(huì)將生長素轉(zhuǎn)運(yùn)出側(cè)根原基及新生側(cè)根根尖，并抑制生長素合成基因TAR2及生長素內(nèi)流基因LAX3表達(dá)，造成局部生長素含量降低，抑制側(cè)根生長。此外，NRT1.1可以和受體激酶QSK1、質(zhì)子泵AHA2在細(xì)胞膜上形成復(fù)合體，使得AHA2活性降低，抑制質(zhì)子外排，降低了質(zhì)外體酸化對(duì)根生長的促進(jìn)作用。輕度氮缺乏時(shí)，NRT1.1的生長素轉(zhuǎn)運(yùn)活性受到抑制，生長素合成基因TAR2、YUC8和TAA1表達(dá)受到誘導(dǎo)，均使得生長素在側(cè)根積累。OBP4-XTH9是生長素響應(yīng)因子ARF7、ARF19下游的響應(yīng)模塊，XTH9激活側(cè)根生長，OBP4可以直接抑制XTH9基因的表達(dá)。3. 氮素依賴的根毛生長細(xì)胞質(zhì)中銨離子含量與根毛生長密切相關(guān)，一個(gè)液泡膜定位的蛋白激酶對(duì)于維持這個(gè)過程起到重要作用。低氮條件下，TAA1和YUC8表達(dá)的激活使得根尖生長素含量得到提升，生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AUX1和PIN2將生長素轉(zhuǎn)運(yùn)至根毛分化區(qū)域，進(jìn)而通過生長素響應(yīng)因子ARF6和ARF8激活RHD6和LRL3的表達(dá)，從而促進(jìn)根毛生長。4. 作物中氮素調(diào)控根系構(gòu)型的基因水稻中NAR2.1和NIT1、NIT2的互作增加了生長素的合成，促進(jìn)了根系生長。RNR10通過維護(hù)DULL NITROGEN RESPONSE1蛋白穩(wěn)定性抑制生長素合成，RNR10突變后會(huì)增強(qiáng)根系的氮響應(yīng)。玉米中ARF19可以激活A(yù)UXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID14表達(dá)，抑制根生長，NLP3.2可以與ARF19直接互作，抑制其對(duì)下游基因的激活，促進(jìn)根系生長。小麥中TaTAR2.1通過調(diào)控生長素合成影響側(cè)根生長。獨(dú)腳金內(nèi)酯與根系發(fā)育也存在密切聯(lián)系。硝酸鹽存在時(shí)，獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)通路關(guān)鍵組分D53發(fā)生降解，使得被抑制的SPL14、SPL17得以釋放，從而激活OsPIN1b的表達(dá)，促進(jìn)根伸長。MicroRNA444通過調(diào)控MADS家族轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控水稻根系對(duì)硝酸鹽和銨鹽的響應(yīng)。根瘤的固氮作用是豆科植物氮素利用的重要策略。高硝酸鹽條件下，大豆中NIC1a/b可以直接激活NLP1和NLP4的表達(dá)，促進(jìn)硝酸鹽吸收，但固氮作用受到抑制。過量表達(dá)GmGLP20.4不僅可以增加根瘤的發(fā)生，還可以促進(jìn)主根伸長和側(cè)根密度。

· 展 望 ·

目前，關(guān)于氮素調(diào)控根系構(gòu)型的研究主要以擬南芥為研究對(duì)象，在作物中的研究相對(duì)較少，僅有少數(shù)能夠提高田間氮肥利用率的位點(diǎn)得到了驗(yàn)證。其中一個(gè)原因是很難實(shí)現(xiàn)對(duì)作物根系田間表型的無損收集，而計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)的發(fā)展與利用使之成為現(xiàn)實(shí)，將極大地推動(dòng)相關(guān)基因的挖掘。另一個(gè)原因是很多基因的功能行使往往具有細(xì)胞特異性，而常規(guī)研究往往將整條根作為研究對(duì)象，這可能會(huì)稀釋掉部分基因的功能，單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展將為這一問題提供解決方案。此外，管理措施會(huì)在很大程度上影響作物根系生長，挖掘其遺傳機(jī)制，將有助于理解表型、環(huán)境型及管理措施的內(nèi)在聯(lián)系，有助于發(fā)揮作物產(chǎn)量的最大潛力。

通過調(diào)控根中的生長素、脫落酸 (ABA) 和油菜素內(nèi)酯 (BR) 實(shí)現(xiàn)的。硝酸鹽可以促進(jìn)生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN2去磷酸化和其極性定位，影響生長素的分布，此外，microRNA393和生長素受體蛋白AFB3協(xié)同調(diào)控硝酸鹽依賴的主根生長。硝酸鹽可以激活BG1基因的表達(dá)，提高根中活性ABA含量，促進(jìn)主根生長。輕度氮缺乏時(shí)，油菜素內(nèi)酯受體基因BRI1-ASSOCIATED RECPTOR KINASE 1和合成基因DWARF1表達(dá)量升高，促進(jìn)根系生長。BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE3是調(diào)控低氮條件下根系生長的關(guān)鍵因子，此外，CALMODULIN-LIKE-8可以與PEP1 RECEPTOR 2發(fā)生相互作用，通過整合BR信號(hào)和硝酸鹽信號(hào)調(diào)控低氮條件下的根系發(fā)育。

2. 氮素依賴的側(cè)根生長銨鹽會(huì)抑制側(cè)根伸長但促進(jìn)側(cè)根分枝。銨鹽的吸收伴隨著質(zhì)子外排，造成質(zhì)外體酸化，使得生長素質(zhì)子化，進(jìn)而被生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AUX1和LAX3轉(zhuǎn)運(yùn)至側(cè)根原基外側(cè)的表皮細(xì)胞，通過激活細(xì)胞壁重塑相關(guān)基因表達(dá)，使細(xì)胞壁松弛，減少側(cè)根外伸的機(jī)械阻力。無氮或低硝條件下，NRT1.1會(huì)將生長素轉(zhuǎn)運(yùn)出側(cè)根原基及新生側(cè)根根尖，并抑制生長素合成基因TAR2及生長素內(nèi)流基因LAX3表達(dá)，造成局部生長素含量降低，抑制側(cè)根生長。此外，NRT1.1可以和受體激酶QSK1、質(zhì)子泵AHA2在細(xì)胞膜上形成復(fù)合體，使得AHA2活性降低，抑制質(zhì)子外排，降低了質(zhì)外體酸化對(duì)根生長的促進(jìn)作用。輕度氮缺乏時(shí)，NRT1.1的生長素轉(zhuǎn)運(yùn)活性受到抑制，生長素合成基因TAR2、YUC8和TAA1表達(dá)受到誘導(dǎo)，均使得生長素在側(cè)根積累。OBP4-XTH9是生長素響應(yīng)因子ARF7、ARF19下游的響應(yīng)模塊，XTH9激活側(cè)根生長，OBP4可以直接抑制XTH9基因的表達(dá)。3. 氮素依賴的根毛生長細(xì)胞質(zhì)中銨離子含量與根毛生長密切相關(guān)，一個(gè)液泡膜定位的蛋白激酶對(duì)于維持這個(gè)過程起到重要作用。低氮條件下，TAA1和YUC8表達(dá)的激活使得根尖生長素含量得到提升，生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AUX1和PIN2將生長素轉(zhuǎn)運(yùn)至根毛分化區(qū)域，進(jìn)而通過生長素響應(yīng)因子ARF6和ARF8激活RHD6和LRL3的表達(dá)，從而促進(jìn)根毛生長。4. 作物中氮素調(diào)控根系構(gòu)型的基因水稻中NAR2.1和NIT1、NIT2的互作增加了生長素的合成，促進(jìn)了根系生長。RNR10通過維護(hù)DULL NITROGEN RESPONSE1蛋白穩(wěn)定性抑制生長素合成，RNR10突變后會(huì)增強(qiáng)根系的氮響應(yīng)。玉米中ARF19可以激活A(yù)UXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID14表達(dá)，抑制根生長，NLP3.2可以與ARF19直接互作，抑制其對(duì)下游基因的激活，促進(jìn)根系生長。小麥中TaTAR2.1通過調(diào)控生長素合成影響側(cè)根生長。獨(dú)腳金內(nèi)酯與根系發(fā)育也存在密切聯(lián)系。硝酸鹽存在時(shí)，獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)通路關(guān)鍵組分D53發(fā)生降解，使得被抑制的SPL14、SPL17得以釋放，從而激活OsPIN1b的表達(dá)，促進(jìn)根伸長。MicroRNA444通過調(diào)控MADS家族轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控水稻根系對(duì)硝酸鹽和銨鹽的響應(yīng)。根瘤的固氮作用是豆科植物氮素利用的重要策略。高硝酸鹽條件下，大豆中NIC1a/b可以直接激活NLP1和NLP4的表達(dá)，促進(jìn)硝酸鹽吸收，但固氮作用受到抑制。過量表達(dá)GmGLP20.4不僅可以增加根瘤的發(fā)生，還可以促進(jìn)主根伸長和側(cè)根密度。

· 展 望 ·

目前，關(guān)于氮素調(diào)控根系構(gòu)型的研究主要以擬南芥為研究對(duì)象，在作物中的研究相對(duì)較少，僅有少數(shù)能夠提高田間氮肥利用率的位點(diǎn)得到了驗(yàn)證。其中一個(gè)原因是很難實(shí)現(xiàn)對(duì)作物根系田間表型的無損收集，而計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)的發(fā)展與利用使之成為現(xiàn)實(shí)，將極大地推動(dòng)相關(guān)基因的挖掘。另一個(gè)原因是很多基因的功能行使往往具有細(xì)胞特異性，而常規(guī)研究往往將整條根作為研究對(duì)象，這可能會(huì)稀釋掉部分基因的功能，單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展將為這一問題提供解決方案。此外，管理措施會(huì)在很大程度上影響作物根系生長，挖掘其遺傳機(jī)制，將有助于理解表型、環(huán)境型及管理措施的內(nèi)在聯(lián)系，有助于發(fā)揮作物產(chǎn)量的最大潛力。