植物吸收转运硝态氮及其信号调控研究进展

李晨阳 孔祥强 董合忠

(1山东师范大学生命科学学院，山东 济南 250014；2山东棉花研究中心/农业部黄淮海棉花遗传改良与栽培生理重点实验室，山东 济南 250100)

合理施肥是促进作物高产的重要措施，氮肥是最主要的肥料来源，约占施肥总量的60%[1]。硝态氮和铵态氮是两类主要氮源，其中硝态氮是有氧条件下植物从土壤环境中获取的主要氮源[1]。植物通过硝态氮转运系统吸收、转运硝态氮到各种细胞、组织，促进自身生长[2]。在植物体内，硝态氮不能直接与氨基酸结合，必须在细胞内通过硝酸盐还原酶转化为亚硝酸盐，或者在质体或叶绿体内通过亚硝酸盐还原酶转化为铵，才能与氨基酸结合以促进自身生长[1]。过量的亚硝酸盐和铵盐都会对植物产生毒害，但过量的硝态氮可被储存在液泡中，植物根据外部氮素供应和对氮素的需求，高度协调硝态氮吸收、转运和同化等过程(图1)，避免因硝态氮过量或缺氮对植物产生毒害[1]。但植物如何协调多种内外部信息，调节硝态氮吸收、转运并在不同组织中同化和储存，以避免产生毒害和资源浪费，促进植物生长的机理尚不明确。因此，本文主要对硝态氮吸收、转运以及信号感知与转导等方面进行综述，以期深入理解植物高效利用硝态氮的机理，为提高植物氮素利用率的相关研究提供支持。

1 硝态氮吸收和转运

在任何环境条件下，植物都需要从土壤中有效吸收硝态氮，将其分配到不同的源、库器官中，并调节硝态氮在细胞中的稳态，促进植物生长。目前，在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中已发现四类具有不同亲和力或特异性的硝态氮转运体和通道家族，参与了硝态氮的吸收、转运和存储等过程。这四类转运体和通道蛋白家族分别是硝态氮转运体1(nitrate transporter 1，NRT1)/肽转运蛋白家族(peptide transporter family，NPF)、硝态氮转运体2(nitrate transporter 2，NRT2)、氯离子通道(chloride channel，CLC)家族和缓慢激活的阴离子通道(slowly activating anion channel，SLAC)[1-2]。

图1 硝态氮吸收、转运和存储途径(改自Wang 等[1])Fig.1 Nitrate absorption，transportion，storage process (modified from Wang et al.[1])

1.1 NPF/NRT1和NRT2 转运体

植物体内存在2种亲和力不同的硝态氮吸收系统:低亲和转运系统(low-affinity transport systems，LATS)和高亲和转运系统(high-affinity transport systems，HATS)[3]。研究发现，在拟南芥和水稻(Oryza sativa)中分别存在53和93个NRT1 基因[4-5]。大多数NRT1 转运体是低亲和力硝态氮转运体，但AtNRT1.1/AtNPF6.3和OsNRT1.1B/OsNPF6.5 具有双重亲和力特征[6]。植物中大多数NRT2s 转运体是高亲和力硝态氮转运体，且大多数NRT2 转运功能依赖小多肽NAR2(nitrate assimilation related protein)[7]。拟南芥基因组包含7个NRT2 基因和2个NAR2 基因，但只有NAR2.1 在双组分高亲和硝态氮吸收系统中起关键作用[7]；水稻基因组中只有4个NRT2 基因和2个NAR2 基因[8]。

1.1.1 土壤中硝态氮的吸收和外排 硝态氮是大多数陆生植物的主要氮源。植物根系通过质子/硝酸盐耦联机制主动地从周围环境中吸收和外排硝态氮，硝态氮同化过程首先需要根系内特定转运体介导根系从周围环境中吸收硝态氮，而这些特定转运体包括NRT1、NRT2。NRT1 转运体不仅具有硝态氮的吸收功能，还有硝态氮的外排功能，以平衡植物体内硝态氮含量，但是NRT1 在促进硝态氮外排时需要有H+泵参与，以维持植物细胞膜电位平衡[9]。植物根系木质部和韧皮部是参与硝酸盐吸收和外排的重要场所[2]。目前已知参与植物根系硝态氮吸收的转运体主要有2个NRT1 转运蛋白(NRT1.1和NPF4.6)和4个NRT2转运蛋白(NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5)，这些转运蛋白的硝态氮吸收能力与植物的生长发育阶段、体内氮素含量以及外部环境氮素含量有关。

NPF4.6是低亲和力硝态氮转运体，在植物根系周围硝态氮浓度较高时促进硝态氮的吸收[10]。NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5 转运体都属于高亲和力硝态氮转运体，在外部硝态氮浓度较低时促进硝态氮的吸收。而NRT1.1是双亲和硝态氮转运体，无论外部环境硝态氮浓度高低，都能促进硝态氮吸收，在外界硝态氮浓度变化的条件下，AtNRT1.1 可以调控Thr101位点的磷酸化，改变NRT1.1 亲和性，使其在不同硝态氮浓度下都能介导硝态氮的吸收。当外部硝态氮含量较低时，AtNRT1.1的Thr101位点磷酸化，将其转化为高亲和力转运体；当硝态氮浓度较高时，AtNRT1.1 去磷酸化，使其成为低亲和力转运体[6，11]。AtNRT1.1 除了参与硝态氮吸收和信号转导外[11]，还参与植物体内转运生长素[12]。水稻OsNRT1.1B/OsNPF6.5是与AtNRT1.1 同源的转运体，其作为双亲和硝态氮转运体参与水稻硝态氮的吸收以及根茎间硝态氮的转运[13]。苜蓿(Medicago truncatula)MtNRT1.3 基因在非洲爪蟾卵母细胞中表达时，也表现为双亲和硝态氮转运功能，在缺氮条件下可诱导苜蓿该基因的表达，而在富含硝态氮的培养基中表达受到抑制，该转运体可能参与植物对缺的应答而不是参与根系对硝态氮吸收[14]。低氮条件可以诱导拟南芥AtNRT2.1和AtNRT2.2表达，促进硝态氮吸收[15]。Menz 等[16]发现NRT2.1 中存在3个磷酸化位点(Ser11、Ser28和Thr511)，高浓度硝态氮可促进Ser28 去磷酸化，使NRT2.1 失活，但低浓度硝态氮可促进Ser28 磷酸化进而激活NRT2.1 转运体促进硝态氮吸收，表明NRT2.1 翻译后磷酸化修饰对不同硝态氮浓度下根系硝态氮的吸收具有重要的调控作用。AtNRT2.4和AtNRT2.5 也均是高亲和硝态氮转运蛋白，在缺氮时均表现出对硝态氮吸收，长期氮饥饿可诱导AtNRT2.5表达[17]。不同NRT2 基因的表达模式不同，AtNRT2.1 主要在主根的较老部分表达，AtNRT2.4主要在主根的较嫩部分和侧根表达，而AtNRT2.5 则在初生根和侧根的根毛表达[17]，说明不同NRT2 基因时空表达可能不同。

植物根中的NPF2.7/NAXT1 (nitrate excretion transporter 1)转运体具有硝态氮外排功能。根中硝态氮的外排是根硝态氮净吸收的组成部分，可克服各种胁迫下物质的渗透。在标准培养条件下，植物根中NPF2.7/NAXT1的表达降低了根中硝态氮含量，但naxt1 突变体根中硝态氮含量升高[9]。在酸负荷条件下，野生型植物根中外排显著增加，导致根中含量降低，体内和体外突变表型揭示这种反应是由NAXT1 介导的，其表达在转录后水平上调，通过对植物细胞质膜中硝态氮外排转运体的研究，为揭示硝态氮外排转运体在胁迫或非胁迫条件下植物的生理功能开辟了一条途径[9]。因此，根中不同转运体协同互作调控植物体内保持稳定的硝态氮含量，对保障植物在不同氮素条件下持续生长具有重要作用。

1.1.2 根冠间硝态氮转运 硝态氮被植物根系吸收以后，被同化利用、储存在根部并运往地上部。硝态氮在根冠间的转运能力不仅与植物种类有关，而且受环境因素的影响。多个硝态氮转运体基因参与调控硝态氮在根冠间的转运。AtNPF7.3/NRT1.5 介导根系硝态氮向地上部的运输，npf7.3 突变体中地上部硝态氮的积累减少，且冠- 根间硝态氮比例降低[18]。AtNPF7.2/NRT1.8 介导木质部的硝态氮重吸收及参与逆境胁迫的响应，该基因受硝态氮以及生物和非生物胁迫诱导，如镉(Cd2+)、盐、冷及病原微生物等[19]。拟南芥npf7.2 突变体表现出氮依赖的镉敏感表型[19]。非生物胁迫下，NPF7.2和NPF7.3 具有拮抗作用[20]。盐和Cd2+处理促进AtNPF7.2的表达，抑制AtNPF7.3表达，减少木质部硝态氮积累，导致根部硝态氮积累量增多。npf7.3 突变体耐逆性增强，但在非逆境条件下npf7.3 根的生长受到抑制[20]。AtNPF2.3 在盐胁迫下促进根冠间硝态氮的转运以提高地上部硝态氮含量，AtNPF2.3基因只在盐胁迫条件下调控根冠间硝态氮的转运，可能是由于在正常条件下AtNPF7.3的活力太强，掩盖了AtNPF2.3的作用[21]。OsNPF2.2是一种低亲和力的硝酸盐转运体，参与硝态氮在根冠间的转运并影响水稻茎秆中维管束的发育[22]。正常硝态氮条件下，osnpf2.2 突变体在根系中保持较高的硝态氮含量，而茎中木质部硝态氮含量较低，抑制了硝态氮在根冠间的转运[22]，OsNPF2.2 与AtNPF2.3 基因的表达调控方式不同。AtNPF2.9/NRT1.9 参与韧皮部硝态氮的转运，负调控硝态氮在根冠间运输，npf2.9 突变体内硝态氮在木质部的向上运输增强，韧皮部的向下转运减弱，导致在高氮条件下冠根间硝态氮的比例增加[23]。硝态氮在根冠间的转运为维持植物生长及更加合理地吸收利用硝态氮具有重要作用，可避免过多的硝态氮储存在根部影响其吸收更多的硝态氮参与植物生长。

1.1.3 叶片间/叶片内硝态氮转运 硝态氮被运输到叶片后，植物根据叶的发育阶段、氮需求和硝态氮储存能力决定硝态氮的同化或储存。不同组织间硝态氮的协调分配是高等植物高效利用硝态氮的关键。AtNPF6.2/NRT1.4 介导硝态氮在叶柄的储存，与野生型相比，npf6.2 突变体中硝态氮在叶柄积累少，在叶片积累多且叶面积增加，说明叶内硝态氮的自我平衡影响着叶的发育[24]。AtNPF1.1/NRT1.12和AtNPF1.2/NRT1.11 在富氮条件下可将成熟的叶片中的硝态氮分配到生长发育的组织，促进新生组织的生长。利用15N 标记的硝态氮处理npf1.1/npf1.2 双突变体根部后，突变体的成熟叶片中同位素信号积累增加，而嫩叶中降低，但增加外界硝态氮含量并不能促进突变体的生 长，说明AtNPF1.1/NRT1.12和AtNPF1.2/NRT1.11 基因通过调控硝态氮向新叶转运，在调控植物嫩叶生长方面发挥着重要作用[4]。在拟南芥中敲除NPF2.13 基因，导致老叶中硝态氮积累增加，而老叶韧皮部转运物中的硝态氮含量降低；缺氮条件下，npf2.13 突变体生长迟缓，说明AtNPF2.13/NRT1.7 可将老叶中的硝态氮转运到嫩叶中促进嫩叶生长[25]。AtNPF5.11、AtNPF5.12和AtNPF5.16 定位在液泡膜，在低氮条件下可把储存在液泡的硝态氮转运到细胞质，从而维持植物生长[26]。

1.1.4 种子的生长发育 硝态氮转运不仅影响植物耐逆、生长，而且影响种子萌发和发育。AtNPF2.12/NRT1.6基因在授粉后表达量上升，促进硝态氮向发育中的胚转运；npf2.12 突变体成熟种子的硝态氮含量减少，导致胚发育缺陷和种子败育增加，说明NPF2.12 通过介导硝态氮向胚的转运调控胚胎发育和种子育性[27]。AtNPF5.5 也能调控胚中氮含量，AtNPF5.5 基因可在胚中表达，npf5.5 突变体的胚中氮含量显著降低，但该基因如何调控胚中氮的储存以及是否抑制胚的发育和种子的萌发还有待进一步研究[5]。AtNRT2.7 具有调控种子硝态氮含量和休眠的作用，AtNRT2.7 在种子中特异性表达，是唯一定位在液泡膜的NRT2 转运体[28]。nrt2.7 突变体种子硝态氮含量降低35%～70%，暗示NRT2.7 可能通过将硝态氮转运至液泡来调节种子硝态氮含量[28]。

1.1.5 其他功能 NPF 转运体除了具有转运硝态氮的功能外，在促进植物生长发育方面同样具有重要作用。AtNPF6.3/NRT1.1 可调控植物抗旱性[29]，富氮条件下拟南芥npf6.3 突变体的气孔导度下降，蒸腾速率降低，植株对干旱胁迫的耐受能力增强，同时Na+在部分组织中的积累量减少，说明AtNPF6.3 可部分介导或调节硝态氮依赖的Na+转运[29-30]。拟南芥NPF转运体AtNPF2.4和AtNPF2.5 表现出外排氯化物的活性，AtNPF2.4 介导根冠间氯化物的转运并储存在木质部，AtNPF2.5 介导氯化物从根部外流，高盐条件下AtNPF2.4 基因表达量下降，而AtNPF2.5表达量增加，高盐条件下这2个基因共同作用可减少地上部氯化物的积累[31]。研究表明，NPF 转运体也可以转运植物激素，部分NPF 表现出吲哚乙酸(indole-3-acetic acid，IAA)[12]、脱落酸(abscisic acid，ABA)[5]、赤霉素(gibberellins，GA)[32]、茉莉酸- 异亮氨酸复合物(jasmonoyl-isoleucine，JA-Ile)[33]的转运活性，而部分NPF 既能转运硝态氮，又能转运植物激素[34]。

1.2 CLC和SLAC 转运体

CLC 广泛存在于各种植物中，在拟南芥中CLC家族包含7个成员，分别命名为CLCa～CLCg[35-36]。拟南芥CLCa 蛋白是位于液泡膜的逆向转运蛋白，功能缺失突变体clca体内硝态氮含量较野生型低50%，进一步说明CLCa是促进硝态氮在液泡中储存的主要成员[35]。CLCa 具有硝态氮转运功能是因为在CLCa的选择性基序中存在1个脯氨酸残基[35]。研究发现，CLCb 定位于液泡膜，具有与CLCa 相同的选择性基序[36]。关于非洲爪蟾卵母细胞的试验证明，CLCb 具有逆向转运功能，但不清楚其在植物中是否具有转运硝态氮的功能[36]。

SLACs 参与调控CO2和ABA 依赖的气孔关闭[37-38]。ABA 处理大麦(Hordeum vulgareL.)的叶柄可诱导其叶片气孔关闭延迟，而外加硝态氮处理可恢复ABA 诱导的气孔关闭延迟表型[38]。该通道蛋白家族包含5个基因，分别是SLAC1和SLAH1～SLAH4(SLAC1 同源物)[39]。利用膜片钳试验研究气孔保卫细胞时发现，SLACs 对硝酸盐具有很强的偏好性，且SLAC1和SLAC3 在爪蟾卵母细胞中都具有硝态氮运输功能[39]。SLAC1的激活导致保卫细胞的阴离子外流，从而介导气孔关闭[39]。SLAH3 对硝态氮具有更强的选择性，比选择氯化物高20倍，因此可认为SLAH3是硝酸盐外排通道[40]。玉米(Zea maysLinn.) 中ZmSLAC1 通过介导硝态氮的外流参与气孔关闭，突变体zmslac1-1和zmslac1-2 在不同的刺激下表现出强烈的气孔关闭不敏感表型，ZmSLAC1的表达可诱导保卫细胞内硝态氮的外流增加膜电位进而恢复拟南芥双突atslac1-3/atslah3-2的气孔关闭表型[41]，说明SLACs 也具有硝态氮的转运功能。

2 硝态氮的信号感知、转导和长距离调控

硝态氮不仅是一种氮源，而且还可作为信号分子，在根系形态建成、种子萌发、枝条发育和开花等过程中发挥作用[1]。硝态氮参与调控初级硝酸盐响应(primary nitrate response，PNR)过程[42]，可在几分钟内诱导相关基因表达，并在30 min 内达到峰值。PNR基因的诱导取决于硝态氮浓度[42]。PNR基因包括硝态氮同化基因亚硝酸还原酶(nitrite reductase，NIR)和硝酸还原酶(nitrate reductase，NIA1和NIA2 基因)，硝态氮转运基因NRT1和NRT2，以及参与戊糖磷酸途径、糖酵解和海藻糖-6-P 代谢途径的基因。硝态氮参与调控根的生长，包括侧根产生、伸长、根毛生长和初生根生长等[42]。硝态氮可通过长距离信号调控整体植物的氮素高效吸收[1]。

2.1 信号感知

硝态氮作为信号分子，需要被相应的受体识别后才能启动下游的相关基因从而执行特定的生理功能。研究发现，硝态氮双亲和力转运体NRT1.1(CHL1/NPF6.3)具有感受硝态氮信号的受体功能[11，43]。作为双亲和性转运体，NRT1.1 通过磷酸化和去磷酸化第101位苏氨酸来响应外界硝酸盐浓度的变化。当外界硝酸盐浓度较低时，NRT1.1 通过磷酸化101位苏氨酸，转换为高亲和力转运体，引发低水平硝酸盐反应；当外界硝酸盐浓度较高时，NRT1.1 第101位苏氨酸去磷酸化，使其转换成低亲和力转运体，引发高水平硝酸盐反应[11]。在这一转换过程中，有2个CIPK(CBLinteraction protein kinase)基因与NRT1.1 相互作用调控不同浓度的硝酸盐信号。CIPK8 作为一种正调控因子特异性地参与低亲和响应[42]，而在外部硝态氮含量较低时，CIPK23 特异性地促进NRT1.1 磷酸化，从而促进高亲和响应[11]。

NRT1.1 除了调控PNR外，还能调控根系主动觅食硝态氮。土壤中的硝酸盐含量往往不均匀，植物为了从中高效吸收硝态氮，能够促进富氮侧的根系侧根生长，抑制贫氮侧的侧根生长，从而最大可能的吸收养分。具体表现为，在富氮侧，NRT1.1上调ANR1(Arabidopsisnitrate-regulated 1)促进侧根生长；在贫氮侧，NRT1.1 调节生长素和分生组织活性抑制侧根生长[43]。ABA 不敏感突变体abi2 也表现出根系主动觅食硝态氮的表型，这可能是因为abi2 突变体通过CBL1(calcineurin b-like protein 1)和CIPK23的磷酸化调节了NRT1.1，说明NRT1.1 与ABA 可能存在交互作用[5]。除NRT1.1 外，植物体内可能还存在其他硝态氮感知蛋白，因为NRT1.1的信号感知缺失突变体chl1-5 中PNR 并没有完全丧失[42]。

2.2 信号转导

NRT1.1 感受到硝酸盐信号后，需要把相应信号传递到细胞并启动相关基因的表达，最终实现相应的生理功能。在这一过程中钙信号及一些转录因子起着非常重要的作用[44]。

2.2.1 钙信号 在植物中，钙信号是重要的信号分子，参与生物和非生物胁迫响应、结瘤、昼夜节律和极尖生长等多种调控过程。利用钙离子螯合剂EGTA或钙通道阻滞剂La3+处理后，不同浓度硝酸盐处理未改变NIR和NIA2 基因表达，说明钙离子在硝酸盐信号通路中具有重要作用[1]。Riveras 等[45]利用水母发光蛋白报告基因系，发现钙离子响应硝酸盐信号，但是依赖NRT1.1，EGTA和La3+处理后，只有部分PNR 受到影响，表明植物中存在两条PNR 调节途径:钙依赖途径和不依赖钙的途径。Liu 等[46]发现硝态氮可诱导钙在细胞核内积累和钙传感蛋白激酶(calcium-sensor protein kinase，CPKs)向核内快速转移，然后CPKs 磷酸化NLP7(nin-like protein 7)的第205位丝氨酸，从而使NLP7 保留在核内调控PNR，说明钙离子作为响应硝酸盐信号的第二信使调控着不同的硝酸盐反应。

2.2.2 转录因子 硝态氮信号进入细胞核内后，作为PNR 主要调控因子的NLP7 在核内激发下游一系列转录因子参与硝态氮信号传导。拟南芥nlp7 突变体表现为PNR 受损及根系缺氮表型[47]。硝态氮调控NLP7 蛋白穿梭进入并保留在细胞核内，但NLP7 基因表达不受硝态氮调控[48]。基因芯片分析表明，当硝态氮存在时，NLP7 可与851个基因的启动子结合[43]，诱导100个硝态氮转运体、硝态氮同化基因和转录因子表达[48]。拟南芥有9个NLP家族成员，均含有N 端硝态氮响应区、一个RWP-RK(RWP-RK 基因家族是植物特有的转录因子家族，该家族在植物硝态氮信号传导过程中起核心的调控作用)DNA 结合域和一个PB1(Phox and Bem1)蛋白-蛋白相互作用域[49]。NLP的PB1 结构域介导的蛋白互作对于诱导植物中硝态氮依赖基因的表达是必需的，且该结构域可以在硝态氮存在下通过同源和异源寡聚化作用于相关基因表达[49]。NLP6 与NLP7 同源且显示硝态氮诱导的核保留[50]。此外，NLP8 通过响应硝态氮信号，激活ABA分解代谢酶CYP707A2 促进种子萌发，说明种子萌发过程中硝态氮信号与ABA 信号存在相互作用[51]。除了硝态氮诱导外，NLP家族还参与硝态氮饥饿信号的传递。在细胞核中，NLP7/6 在缺氮条件下与TCP20(teosinte branched 1/cycloindea/proliferating cell factor)相互作用，调节NRT1.1、NIA1和NIA2.1的表达促进根系吸收硝态氮，说明NLPs 也参与了缺氮条件下的信号调控[50]。

NLP是硝态氮信号的核心转录因子，参与多个次级转录因子及靶基因的调控。硝态氮调节基因(nitrate regulatory gene 2，NRG2)属于bZIP (basic leucine zipper)家族，是参与硝态氮反应的正调节因子，调节NRT1.1 基因的表达[52]。NRG2 与NLP7 在核内互作，但硝态氮诱导的NLP7 在核内的保留不依赖于NRG2[52]。硝态氮和NLP7 可诱导LBDs(lateral boundary boundary domain)表达，LBD37、LBD38和LBD39 在硝态氮饥饿反应中起负调节作用，在硝态氮缺乏条件下抑制NRT1.1、NRT2.1和NIA1的表达[53]。NLP7/6 可与硝态氮顺式响应元件(nitrate response cis-element，NRE)结合，调节相关基因在茎尖分生组织(shoot apical meristem，SAM)处的表达，延迟拟南芥开花[54]。lncRNAT5120(long noncoding RNAT5120)也参与硝态氮信号传导，过表达T5120 促进了根系对硝态氮的响应、吸收以及根系的发育；生化和分子分析表明，NLP7 可结合T5120 启动子的NRE，激活T5120转录，过量表达T5120 可部分恢复nlp7 突变体的硝态氮吸收表型，说明T5120 参与NLP7 介导的硝态氮调控通路，同时，硝态氮转运体NRT1.1 也调控T5120的表达[55]。

TGACG 序列模拟结合因子(TGACG motif-binding factor 1，TGA1)和TGA4 在根形态建成中起重要作用，TGA1 可以直接与NRT2.1和NRT2.2的启动子区结合，调控NRT2.1和NRT2.2的表达[56]。硝态氮通过NRT1.1、钙信号和NLP7 信号通路促进TGA1和TGA4的表达[56]。双突tga1/tga4 在促进初生根生长、侧根起始以及根毛密度方面具有硝态氮依赖的表型，说明TGA1和TGA4 可能在NRT2.1和NRT2.2 上游促进侧根形成，而在NRT1.1 下游促进根毛生长[57]。此外，硝酸盐信号还可以通过NAC4(NAM-ATAF-CCUC domain-containing protein)转录因子、与磷酸盐信号相关基因HRS1(hypersensitivity to low pi-elicited primary root shortening 1)和HHO1(HRS1 homolog 1)共同调控根系生长[58-59]。MADS-box 转录因子OsMADS57 在低硝态氮条件下调节水稻根冠间的硝态氮转运[60]。与野生型水稻相比，突变体osmads57的木质部硝态氮含量减少了31%，而过表达系的木质部硝态氮含量增加了2倍[60]。MYB(myeloblastosis)类转录因子是高等植物中最大的转录因子家族之一，谷子SiMYB42 主要在其叶或根表达，低氮胁迫能够诱导SiMYB42表达[61]。在低氮条件下，转SiMYB42 基因拟南芥的硝态氮转运基因NRT2.1、NRT2.4和NRT2.5的表达量和根系生长显著高于野生型，且在NRT2.1、NRT2.4和NRT2.5 基因启动子序列中均具有MYB 结合位点，暗示SiMYB42 可以通过调控硝态氮转运基因的表达增强植物在低氮条件下的抗性[61]。

2.3 硝态氮的长距离信号调控

氮素含量在大田土壤中的分布通常是不均匀的，且植物各器官中的氮素含量也随着土壤氮素含量和生长发育时期的不同而逐渐变化。植物可根据外界硝态氮状态以及植物内部硝态氮含量，整合调控根-冠、冠-根和细胞间信号转导，协调氮吸收、同化和植物生长发育。研究发现，CEP1-CEPR1/2-CEPD1/2 (Cterminally encoded peptide 1，CEP1；CEP receptor 1 and 2，CEPR1/2；CEP downsteam 1 and 2，CEPD1/2)信号通 路和CLE-CLV1/HAR1 (clavate 3/embryosurrounding region，CLE；clavata 1，CLV1；hypernodulation aberrant root 1，HAR1)信号通路参与了氮素吸收转运的长距离信号调控[62-64]。

2.3.1 CEP1-CEPR1/2-CEPD1/2 信号通路 在根区氮素不均匀分布条件下，植物为了满足自身氮素需求，可从富氮侧根系大量吸收硝态氮[64]。Ohkubo 等[64]在室内利用分根方法研究了这一调控机理。在根区硝态氮差异分布条件下，低氮侧根系小分子多肽基因CEP受低氮诱导表达，合成小分子多肽CEP，然后CEP 通过木质部转运到地上部。在地上部，CEP 在叶片维管束中诱导CEPR1和CEPR2表达产生富含亮氨酸的受体激酶CEPR1和CEPR2[64]；CEPR1和CEPR2 能够诱导CEPD1和CEPD2 基因表达，生产CEPD 蛋白；地上部合成的CEPD 蛋白可通过韧皮部转运到拟南芥分根系统两侧根系，但只在高氮侧根系诱导硝态氮吸收基因NRT2.1表达，促进高氮侧硝态氮吸收，满足整株氮素需求[64]。这一机制说明植物可通过根-冠间信号传导调控氮素吸收。

2.3.2 CLE-CLV1/HAR1 信号通路 CLE3是一种分泌型的信号肽，编码该信号肽的CLE1、CLE3、CLE4和CLE7 基因可被低氮诱导[65]。过表达CLE1、CLE3、CLE4和CLE7 基因抑制侧根的发生，且这一抑制作用依赖于受体激酶CLV1的存在[1，65]。在根系中，CLV3主要在中柱鞘细胞中表达，而CLV1 在韧皮部细胞表达，这2个基因的表达部位不同，但要协同发挥作用，暗示它们可能通过细胞间转运或长距离信号通讯方式来发挥作用[65]。事实上，CLV1 也在地上部表达，但是这个调控通路中是否需要“根-冠-根”间的通信来抑制缺氮条件下根系的发育还有待确定[1]。

“根-冠-根”间的CLE-RS-HAR1 信号通路参与根瘤形成的负反馈调节[62]。在这一信号通路中，根系合成的CLE 多肽分泌到根系的维管束组织，然后转运到地上部，被位于地上部富含亮氨酸重复的亚家族(leucine-rich repeats RLK，LRR-RLK)受体HAR1 所感知，HAR1 与拟南芥中CLV1 同源，HAR1 参与CLERS1(CLE root signal 1)和CLE-RS2 对根瘤形成的抑制作用[63]。Soyano 等[63]研究发现结节起始(nodule inception，NIN)直接调节CLE-RS1和CLE-RS2的表达并激活结瘤自动调节(autoregulation of nodulation，AON)的转录因子HAR1，地上部HAR1 介导CLE-RS1和CLE-RS2的表达并降低NIN的活性，抑制根瘤形成，通过根冠间的长距离信号调控根瘤的合适比例[63]。

3 硝态氮的利用效率

氮肥对促进农作物生长、提高农作物产量起着重要的作用。农业生产施用的氮肥约30%～50%被作物吸收利用，剩余部分大都通过土壤流失到地下水系，污染环境[1]。提高硝态氮利用效率(nitrogen-use efficiiency，NUE)是农业生产中降低肥料投入成本，减轻环境污染的有效措施。NUE是一种复杂的农艺性状，涉及吸收、同化、运输和信号传导等多个相互关联的步骤。通过遗传和转录组测序的方法筛选高效利用硝态氮的种质，比如籼稻，一方面，籼稻与粳稻的NRT1.1B基因间存在一个碱基差异，导致一个氨基酸变化，使得籼稻的氮素吸收能力高于粳稻[13]；另一方面，籼稻中该转运体高效表达可在其根部富集参与氨化过程的微生物群，进而促进籼稻生长及提高产量[66]。通过转基因方法操纵涉及硝态氮吸收、转运、同化和信号传导基因的表达可提高NUE 并促进作物生长和提高作物产量[1]。过表达NRT1(NPF)和NRT2家族中的转运体是提高NUE的一种有效途径。研究发现，田间硝态氮差异分布条件下，过表达水稻OSNRT2.3b基因不仅促进硝态氮和铁的吸收，而且提高转基因水稻在低氮和高氮条件下的产量[67]。过表达OsNPF7.3 基因的转基因水稻分蘖数、单株穗数、每穗实粒数和籽粒含氮量均高于野生型植株，说明过表达OsNPF7.3 基因可提高NUE[68]。谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)通过GS-GOGAT(glutamine synthetase-glutamate synthase)循环将铵与谷氨酰胺结合在一起，是植物将无机氮转化为有机氮的关键步骤[69]。水稻中泛素启动子驱动OsGS1的表达可提高产量[69]，说明提高氮素同化酶表达也是提高作物氮素利用效率的有效途径。

调控硝态氮吸收和转运的转录因子在氮吸收、转运、同化、信号传导和氮/碳平衡方面起着重要的调控作用。过量表达相关转录因子可同步提高多个涉及氮素吸收、同化基因，比过量表达单个基因具有更强的提高NUE的功能。拟南芥中过表达NLP7，可同时提高转基因拟南芥NRT1.1、NRT2.1、NIA1、NIR1 基因表达，提高光合速率和碳同化效率，从而增加植株生物量，但敲除NLP7 基因降低了氮和碳的同化效率[70]。在小麦(Triticum aestivumL.)中过表达TaNAC2-5A促进了硝态氮的吸收和根系生长，从而提高了NUE[71]。过表达小麦中低氮胁迫诱导的NFYA(nuclear factor Y A)转录因子TaNFYA-B1 可显著提高氮吸收量和籽粒产量[72]。正常培养条件下，转GmATG8c(autophagosome formation)基因拟南芥生长速度快，抽薹早，初生和腋生花序大，较野生型平均增产12.9%[73]。氮素调控相关转录因子在植物耐逆方面也起着重要作用。干旱低氮胁迫条件下，转AtTGA4 基因植株的硝态氮和脯氨酸含量增加，硝态氮转运基因NRT2.1、NRT2.2和硝酸还原酶基因NIA1、NIA2的表达均高于野生型植株，过表达转录因子AtTGA4 在缓解缺氮表型的同时提高了拟南芥的抗旱性[74]。

栽培管理技术可以提高作物NUE。如在小麦种植中增加种植密度与减少施氮量适当组合可以调节分蘖数量并利于优化分蘖，可提高小麦产量和NUE，氮肥可缓解干旱对小麦苗期根形态的建成，进而提高小麦NUE[75-76]。小麦与蚕豆(Vicia fabaL.)间作并控制氮肥施用量可以改善农田小气候，有效控制蚕豆锈病的发生，进而合理利用种植空间达到提高小麦与蚕豆NUE的目的[77]。刘宇辉等[78]研究发现，在海河流域，化肥减量配施菌肥有机肥显著增加了土壤氮矿化量，并提高了玉米氮素生理利用率和氮素收获指数，为实现农田增效减负和提高NUE 提供了理论依据。Yang等[79]研究发现，棉花(Gossypium hirsutumLinn.)对底肥氮吸收比例最小，对初花肥氮利用率最高；减施底肥氮、增施初花肥氮均显著提高棉花NUE。此外，外施植物生长调节剂也可调控作物NUE。在植物根部施加木霉菌能够促进根从周围土壤中获取养分，并显著提高作物NUE[80]。目前仍不清楚这些栽培措施或外施调节剂等处理是否通过调控氮素吸收、转运、同化中的一个或多个环节中基因表达提高了NUE，深入研究不同处理后氮素相关基因的表达，可为揭示相关机理提供新的线索。

4 结论与展望

氮素是植物生长必需的关键营养元素，提高氮素利用率是农作物施肥的重要目标。培育氮肥高效利用品种和采用科学合理的氮肥运筹方式，可以提高作物产量、品质和氮肥利用率，对解决因过量施用氮肥带来的环境污染问题具有重要意义。硝态氮是植物从根系中吸收利用的主要氮源，不同的硝态氮转运体受植物材料本身和外界环境以及生长发育时期的调控。目前，模式植物拟南芥硝态氮吸收、利用及信号调控机理研究已经比较深入。但是在大部分农作物中，硝态氮吸收、转运、同化和信号调控机理的研究还很少。围绕氮素吸收、转运及信号转导，提高作物氮肥利用率，应着重开展如下工作:

4.1 深入研究氮素利用相关基因的功能

植物硝态氮感知、吸收、转运和同化是个非常复杂的信号调控网络。虽然已经在模式植物拟南芥中进行了较为深入的研究，但不同植物间以及同种作物不同品种或品系间的基因功能仍有差异。因此，需要立足相关作物开展针对性研究。一方面，根据拟南芥等植物中已知基因，克隆作物中相关同源基因，深入研究其功能，比较其与已知基因功能的异同；另一方面，选取在氮素吸收、利用等方面具有差异的种质材料，通过杂交群体构建、高通量测序及分子标记等手段，克隆相关基因，深入研究其功能及相关基因位点突变对氮素吸收、利用差异的机理；田间硝态氮含量常随时间和空间的变化而变化，深入研究硝态氮感知及长距离信号相关基因的功能可能对提高田间作物氮素利用率具有更直接的指导意义。

4.2 筛选和培育高效利用氮素的种质和品种

从不同农作物的种质资源库中筛选氮肥利用差异种质，或通过突变体诱变等方法获得氮素利用差异的材料；利用高通量测序等现代分子生物学手段开发分子标记或克隆相关基因。同时，随着大量硝态氮吸收、转运等促进氮素吸收的关键基因的鉴定和CRISPR/Cas 等新技术的发展，结合分子生物学、分子标记和传统育种学等方法，聚合多个氮素高效利用基因，培育氮肥高效利用新品种。

4.3 创新提高氮素利用率的农艺技术

深入研究不同作物在不同发育时期、不同器官以及不同生态条件(高氮、低氮、高盐、干旱)下氮素吸收、转运、同化和信号调控等基因的表达模式，及其对作物氮素利用和产量的影响，对现有施肥措施和栽培模式进行调整，制定充分协调氮素吸收、转运和同化相关过程的氮肥高效利用技术，为农业氮肥高效利用提供技术支撑。