宮偉 余健源 張曦 單曉昳

（1. 北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，北京 100101）

選育早熟高產(chǎn)的新品種是作物遺傳育種研究的主攻方向之一。氮素（Nitrogen）既是生物大分子如核酸、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)等的組成成分，也是植物激素、葉綠素等生長(zhǎng)發(fā)育必需元素的構(gòu)成組分。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的大量元素，也是調(diào)控植物開(kāi)花時(shí)間和種子產(chǎn)量最為重要的營(yíng)養(yǎng)元素。

在合適的外界環(huán)境和內(nèi)部因子的共同作用下，植物莖頂端的分生組織（Shoot apical meristem，SAM）由營(yíng)養(yǎng)期轉(zhuǎn)入生殖期，分化形成花芽，隨后花器官發(fā)育、配子體發(fā)生、授粉受精，形成種子和果實(shí)。作物的生殖生長(zhǎng)時(shí)期如抽穗、開(kāi)花以及成熟期與作物產(chǎn)量密切相關(guān)。氮素不足迫使作物早衰，產(chǎn)量較低；而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中大量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致作物“貪青晚熟”即生殖生長(zhǎng)延后，開(kāi)花成熟推遲。特別是在高緯度地區(qū)，生育后期如溫度過(guò)低會(huì)影響灌漿從而導(dǎo)致作物大量減產(chǎn)。氮素的積累也是促進(jìn)種子發(fā)育和提高作物產(chǎn)量的重要因素，取決于植物的氮素利用效率NUE（Nitrogen use efficiency），主要由氮素?cái)z取效率NUpE（Nitrogen uptake efficiency）和氮素同化效率NUtE（Nitrogen utilization efficiency）共同決定［1］。

硝酸根（NO3-）是植物吸收利用的主要氮素來(lái)源，也是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的重要信號(hào)分子，在調(diào)節(jié)植物發(fā)育如種子萌發(fā)、根系形態(tài)建成、植株分支、葉片伸展、成花、種子發(fā)育以及植株衰老等過(guò)程中發(fā)揮重要作用［2］。其中，植物開(kāi)花和產(chǎn)量與硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等多方面密切相關(guān)?；诖?，本文對(duì)近年來(lái)模式植物擬南芥、水稻和其他主要農(nóng)作物中硝酸根調(diào)控植物開(kāi)花時(shí)間和種子產(chǎn)量的分子機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹參與其中的關(guān)鍵基因及作用機(jī)理，以期為合理利用氮肥、提高氮素利用效率、培育早熟高產(chǎn)的作物新品種提供較為全面的理論參考。

1 硝酸根調(diào)控植物開(kāi)花的分子機(jī)制

開(kāi)花是植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)過(guò)渡的關(guān)鍵階段。高等植物開(kāi)花包括開(kāi)花誘導(dǎo)、花原基形成和花器官發(fā)育3個(gè)階段，其進(jìn)程受到復(fù)雜基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。外界環(huán)境中不同濃度的硝酸根會(huì)對(duì)植物開(kāi)花時(shí)間產(chǎn)生不同程度的影響。對(duì)模式植物擬南芥的研究表明，硝酸根濃度與開(kāi)花時(shí)間呈U形曲線關(guān)系［3］。擬南芥在土培、水培和固體培養(yǎng)基條件下，硝酸根或氮素最適濃度分別為4 mmol/L、1 mmol/L和3-9 mmol/L，此時(shí)植株體內(nèi)硝酸根含量和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)水平最適宜植物開(kāi)花，因此開(kāi)花時(shí)間最早。濃度高于最適濃度時(shí)促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，延遲開(kāi)花；而濃度低于最適濃度時(shí)，植株?duì)I養(yǎng)不足生長(zhǎng)遲緩，也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)花延遲。目前，已鑒定得到部分參與硝酸根調(diào)控開(kāi)花途徑的關(guān)鍵基因，初步解析了植物感知并響應(yīng)外界不同濃度硝酸根從而調(diào)控開(kāi)花時(shí)間的分子機(jī)制。但是，所涉及的研究大多沒(méi)有覆蓋整個(gè)U型曲線，這些調(diào)控因子只在某一范圍的硝酸根濃度下發(fā)揮作用。

1.1 硝酸根信號(hào)通路中參與開(kāi)花調(diào)控的關(guān)鍵基因

AtNRT1.1（Nitrate transporter 1.1）定位于根系表皮和皮層細(xì)胞，是擬南芥雙親和性硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及感受器，在根系硝酸根攝取和植株初級(jí)硝酸根反應(yīng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用［4］。與野生型擬南芥植株相比，AtNRT1.1基因功能缺失突變體chl1-1和chl1-5在長(zhǎng)日照或持續(xù)光照的條件下均呈現(xiàn)為晚花表型，抽薹后莖生長(zhǎng)速度更慢，開(kāi)第一朵花的時(shí)間更晚［5］。AtNRT1.1點(diǎn)突變株系chl1-9喪失了轉(zhuǎn)運(yùn)硝酸根的能力，卻仍然保留了正常的初級(jí)硝酸根反應(yīng)。突變體chl1-9開(kāi)花特征與野生型無(wú)顯著性，表明AtNRT1.1調(diào)控的擬南芥晚花表型與硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)無(wú)關(guān)，可能與其介導(dǎo)的硝酸根信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有關(guān)［6］。水稻基因組中存在3個(gè)AtNRT1.1同源蛋白，依據(jù)序列相似性高低分別命名為OsNRT1.1A、OsNRT1.1B和OsNRT1.1C［4］。其 中，OsNRT1.1A與AtNRT1.1蛋白序列同源性最高，定位于液泡膜上，主要負(fù)責(zé)感受細(xì)胞內(nèi)的硝酸根并傳遞信號(hào)；而OsNRT1.1B與AtNRT1.1的生物學(xué)功能最為接近，定位于細(xì)胞質(zhì)膜上，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)硝酸根和感受胞外硝酸根信號(hào)［4］。突變體osnrt1.1a呈現(xiàn)出發(fā)育遲緩和晚熟的表型，而在水稻和擬南芥中分別超表達(dá)OsNRT1.1A均可促進(jìn)植株早花。特別是在高氮條件下，超表達(dá)OsNRT1.1A的植株相較于野生種可提早開(kāi)花2周以上，從而有效縮短了水稻的成熟時(shí)間［7］。因此，硝酸根作為信號(hào)分子可能通過(guò)不同物種中的NRT1.1s蛋白介導(dǎo)的信號(hào)途徑調(diào)控植物開(kāi)花（圖1）。

轉(zhuǎn)錄因子NLPs（Nin-like proteins）蛋白家族成員是硝酸根信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子。在擬南芥中，硝酸根可能通過(guò)PLC（Phospholipase C）/InsP3（Inositol 1，4，5-trisphosphate）途徑誘導(dǎo)胞內(nèi)鈣離子濃度的大幅度升高，從而激活鈣依賴(lài)激酶CPKs（Calcium-dependent kinases）家族成員CPK10、CPK30和CPK32。CPK10/30/32進(jìn) 而 將AtNLP7磷酸化，使其滯留在細(xì)胞核內(nèi)［8］。經(jīng)磷酸化修飾后的AtNLP7可結(jié)合到多個(gè)硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)基因（NRT1.1、NRT1.2、NRT2.1、NRT2.2和NAR2.1等）、同 化 基因（NIA1、NIA2和GS2等）以及響應(yīng)基因（HYH、LBD37和LBD38）的啟動(dòng)子上，啟動(dòng)初級(jí)硝酸根反應(yīng)［9］。擬南芥單突變體nlp6、nlp7和雙突變體nlp6nlp7均表現(xiàn)出晚花的表型，而且雙突變體開(kāi)花比單突變體推遲時(shí)間更長(zhǎng)［10］。水稻中，OsNLP3和OsNLP4是AtNLP7兩個(gè)最為接近的同源蛋白。突變體osnrt1.1a中，OsNLP3和OsNLP4的核定位受到明顯抑制；而在氮缺乏的條件下，在水稻原生質(zhì)體中共表達(dá)OsNRT1.1A和OsNLP3或OsNLP4可促進(jìn)后兩者的核定位［7］。因此，不同物種中的NRT1.1s蛋白可能通過(guò)下游的NLPs轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子調(diào)控植物開(kāi)花（圖1）。

圖1 擬南芥和水稻硝酸根信號(hào)調(diào)控植物開(kāi)花的基因網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2 硝酸根信號(hào)通路與其他開(kāi)花調(diào)控途徑互作基因

對(duì)模式植物擬南芥的研究表明，植物開(kāi)花調(diào)控途徑主要包括光周期途徑（Photoperiod pathway）、自主途徑（Autonomous pathway）、春化途徑（Vernalization pathway）和赤霉素途徑（Gibberellin pathway）四大類(lèi)［11］。CO（Constans）編碼一個(gè)具有鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，是光周期途徑的核心蛋白［12］。長(zhǎng)日照條件下，光敏色素（Phytochrome A，PHYA）、PHYB與隱花色素（Cryptochrome 1，CRY1）、CRY2互作，調(diào)節(jié)生物鐘基因GI（Gigante）的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)CO的積累，促進(jìn)擬南芥開(kāi)花。FLC（Flowering locus C）編碼一個(gè)MADS-box家族的轉(zhuǎn)錄因子，是自主途徑和春化途徑中關(guān)鍵開(kāi)花抑制因子［13］。春化作用負(fù)調(diào)控FLC的轉(zhuǎn)錄和FLC蛋白的表達(dá)水平，進(jìn)而誘導(dǎo)擬南芥開(kāi)花。其中，VRN1（Vernalization 1）、VRN2和VIN3（Vernalization insensitive 3）等 通 過(guò)修飾組蛋白維持FLC在發(fā)育后期的低水平表達(dá)［14］。自主途徑中，F(xiàn)CA（Flowering control locus A）、FY、FVE和FLD（Flowering locus D）等是FLC的抑制因子，通過(guò)調(diào)節(jié)其mRNA水平影響開(kāi)花［15］。赤霉素（Gibberellin，GA）是調(diào)節(jié)開(kāi)花的主要激素之一［16］。成花誘導(dǎo)前，SAM組織可檢測(cè)到活性GA的積累，而阻斷GA合成或者信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程均會(huì)影響擬南芥開(kāi)花過(guò)程。下游因子FT（Flowering locus T）和SOC1（Suppressor of constans 1）整合上述多種調(diào)控途徑，進(jìn)而作用于花分生組織決定基因AP1（Apetala 1）、CAL（Cauliflower）和LFY（Leafy）等，促進(jìn)植株開(kāi)花［17］。

擬南芥中硝酸根信號(hào)途徑調(diào)控開(kāi)花的基因網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立于光周期、自主、春化和赤霉素等經(jīng)典開(kāi)花調(diào)控途徑，但又與其中的關(guān)鍵基因互作［18］（圖1）。CRY1是硝酸根途徑與光周期途徑互作的關(guān)鍵因子。硝酸根通過(guò)調(diào)控FNR1（Ferredoxin-NADP+-oxidoreductase 1）的 表 達(dá) 改 變NADPH/NADP+和ATP/AMP的比率，從而影響腺苷酸活化蛋白激酶（Adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的活性［19］。AMPK可調(diào)節(jié)細(xì)胞核內(nèi)CRY1蛋白豐度和晝夜節(jié)律基因以及光周期途徑關(guān)鍵基因GI和CO的轉(zhuǎn)錄水平，從而影響植株開(kāi)花［19］。高濃度硝酸根以GA信號(hào)依賴(lài)的方式抑制擬南芥開(kāi)花。高濃度硝酸根環(huán)境中，活性GA的合成減弱，GA信號(hào)途徑的底物蛋白DELLA積累，能夠上調(diào)其下游轉(zhuǎn)錄因子CGA1（Cytokinin-responsive gata factor 1）和GNC（Gata transcription factor 21）的表達(dá)［6］。AP2類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子SMZ（Schlafmutze）和SNZ（Schnarchzapfen）的表達(dá)水平隨之提高，SMZ和SNZ蛋白通過(guò)與FT啟動(dòng)子結(jié)合，抑制FT表達(dá)，從而延遲開(kāi)花［6］。各途徑整合因子SOC1是硝酸根調(diào)控開(kāi)花過(guò)程的重要元件。低濃度硝酸根環(huán)境下，SAM中SOC1的表達(dá)水平較低，引起晚花表型。硝酸根信號(hào)途徑下游轉(zhuǎn)錄因子AtNLP7和AtNLP6也在SAM中表達(dá)，可能通過(guò)結(jié)合到SOC1兩個(gè)上游調(diào)控基因SPL3（Squamosa promoter binding protein-like 3）和SPL5的啟動(dòng)子上，影響SOC1表達(dá)［10］。

水稻是短日照植物，但是其開(kāi)花過(guò)程的光周期調(diào)控機(jī)制與擬南芥較為相似。水稻中的Hd3a（Heading date 3a）是與擬南芥中FT功能一致的開(kāi)花促進(jìn)因子，其表達(dá)在短日照下被誘導(dǎo)，促進(jìn)植株開(kāi)花［20］。RFT1（Rice flowering locus T1）與Hd3a同源性最高，是水稻長(zhǎng)日照條件下的開(kāi)花促進(jìn)因子［21］。Ehd1（Early heading date 1）編碼B型反應(yīng)調(diào)控因子，是水稻中特有的開(kāi)花調(diào)控基因。無(wú)論在短日照還是長(zhǎng)日照條件下，Ehd1均是開(kāi)花促進(jìn)因子，分別在Hd3a和RFT1上游誘導(dǎo)二者的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)開(kāi)花［22］。上文提到的水稻中感受胞內(nèi)硝酸根信號(hào)的OsNRT1.1A晚花突變體中，Hd3a、RFT1和Ehd1的表達(dá)水平均顯著下調(diào)，而早熟的OsNRT1.1A超表達(dá)植株中上述3個(gè)基因的表達(dá)水平均明顯上調(diào)［7］。上述研究表明，水稻中硝酸根信號(hào)途徑與光周期途徑協(xié)同作用調(diào)控開(kāi)花抽穗（圖1）。

2 硝酸根調(diào)控植物產(chǎn)量的分子機(jī)制

硝酸根的攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)，即根系對(duì)硝酸根的攝取、硝酸根在根和莖中的長(zhǎng)距離運(yùn)輸以及硝酸根再分配等過(guò)程，主要通過(guò)各類(lèi)硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成。硝酸根的同化則由一系列氮素同化酶共同完成，包括硝酸還原酶NIA（Nitrate reductase）、亞硝酸還原酶NIR（Nitrite reductase）、谷氨酰胺合成酶（Glut-amine synthase，GS）和谷氨酸合成酶（Glutamate synthase，GOGAT）等［1］。近年來(lái)，利用基因工程策略進(jìn)行的轉(zhuǎn)基因研究表明，調(diào)控硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)可以影響植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量（圖2）。

2.1 硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因與植物產(chǎn)量調(diào)控

擬南芥中共有53個(gè)NPF（Nitrate transporter 1 /Peptide transporter）家 族 成 員 和7個(gè)NRT2家族 成 員。其 中，2個(gè)NRT1類(lèi) 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白NPF6.3（NRT1.1）、NPF4.6（NRT1.2）和4個(gè)NRT2類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋 白NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5負(fù) 責(zé) 從外界吸收硝酸根［23］。3個(gè)NRT1類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NPF7.3（NRT1.5）、NPF7.2（NRT1.8）和NPF2.9（NRT1.9）以及NPF2.3在硝酸根長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)揮作用［23］。4個(gè)NRT1類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NPF2.12（NRT1.6）、NPF2.13（NRT1.7）、NPF1.1（NRT1.11）和NPF1.2（NRT1.12）和3個(gè)NRT2類(lèi) 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白NRT2.4、NRT2.5和NRT2.7以及NPF5.5在硝酸根循環(huán)再利用過(guò)程中發(fā)揮重要作用［23］。目前，雖有部分研究證明擬南芥中NPF家族和NRT2家族成員可影響氮素利用效率，但未見(jiàn)其調(diào)控結(jié)實(shí)產(chǎn)量的報(bào)道。

水稻中有多于80個(gè)NPF（NRT1/PTR）家族成 員 和4個(gè)NRT2家 族 成 員［23］。雖 然 僅 有 部 分硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能得到解析，但仍有多個(gè)成員的功能顯示與水稻結(jié)實(shí)產(chǎn)量密切相關(guān)。其中，NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4、NPF6.3（NRT1.1A）、NPF6.5（NRT1.1B）、NPF8.9（NRT1）和NPF2.4定位于根系，負(fù)責(zé)從外界吸收硝酸根和傳遞硝酸根信號(hào)［23］。OsNRT1.1A的突變不但導(dǎo)致水稻開(kāi)花期延長(zhǎng)，同時(shí)降低了氮素利用效率和水稻產(chǎn)量；而過(guò)表達(dá)OsNRT1.1A在不同水稻品種及高氮低氮條件下均可顯著提高水稻生物量和產(chǎn)量［7］。結(jié)合前文可知，OsNRT1.1A兼具促進(jìn)植株早熟高產(chǎn)的雙重效應(yīng)。在秈稻與粳稻間，OsNRT1.1B蛋白一個(gè)氨基酸的區(qū)別導(dǎo)致二者氮素利用效率和產(chǎn)量產(chǎn)生顯著差異［24］。秈稻具有更高的硝酸鹽吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)活性和硝酸根同化能力，在低氮和正常施氮條件下產(chǎn)量均顯著高于粳稻。根系微生物組分析進(jìn)一步表明，OsNRT1.1B在水稻根系微生物構(gòu)成中發(fā)揮關(guān)鍵作用。與粳稻相比，秈稻根系富集的微生物類(lèi)群更加多樣化，微生物功能與氮素代謝更加相關(guān)，這可能是導(dǎo)致其氮素利用效率高于粳稻的重要原因之一［25］。NPF2.2、NRT2.3a、NRT2.3b、NPF6.5和NPF2.4參與硝酸根從根部到莖部的轉(zhuǎn)運(yùn)［23］。OsNRT2.3b主要定位于韌皮部細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜，在其胞質(zhì)側(cè)具有一個(gè)通過(guò)pH感受機(jī)制調(diào)節(jié)硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)活性的結(jié)構(gòu)域［26］。超表達(dá)OsNRT2.3b可提高植物pH平衡緩沖能力和對(duì)多種礦質(zhì)元素的吸收能力。因此在不同氮素條件下，OsNRT2.3b超表達(dá)水稻植株的NUE和產(chǎn)量均大幅提高［26］。OsNPF7.3定位于液泡膜，在硝酸根循環(huán)再利用過(guò)程中發(fā)揮作用。超表達(dá)OsNPF7.3不但可以促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)，還可以促進(jìn)生殖生長(zhǎng)后期氮素由葉片向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)從而提高作物的產(chǎn)量［27］。OsNAR2.1是NRT2家 族 成 員OsNRT2.1、OsNRT2.2和OsNRT2.3a等的互作因子，調(diào)控不同氮素條件下硝酸根的攝?。?8］。轉(zhuǎn)基因水稻中，以O(shè)sNAR2.1基因啟動(dòng)子分別調(diào)控OsNRT2.1和OsNAR2.1的表達(dá)均可大幅提高植株的NUE和產(chǎn)量［29-30］。

圖2 植物中硝酸根調(diào)控種子產(chǎn)量的相關(guān)基因總結(jié)

其他主要農(nóng)作物中，玉米中有51個(gè)NPF和3個(gè)NRT2家族成 員；大豆中有96個(gè)NPF和3個(gè)NRT2家族成員；小麥中有7個(gè)NPF和5個(gè)NRT2家族成員；高粱中有67個(gè)NPF和4個(gè)NRT2家族成 員；谷 子 中 有67個(gè)NPF和5個(gè)NRT2家 族 成員［31-32］。對(duì)于上述硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究多集中在基因家族系統(tǒng)進(jìn)化分析方面，生物學(xué)功能研究尚不深入，調(diào)控產(chǎn)量相關(guān)機(jī)制更不多見(jiàn)。高濃度硝酸根環(huán)境下，超表達(dá)小麥中高親和硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TaNRT2.1或TaNRT2.1及其輔助蛋白TaNAR2.1后，轉(zhuǎn)基因擬南芥角果干重和整體生物量均較高［33］。小麥中另外一個(gè)NRT2家族成員TaNRT2.5也需要與TaNAR2.1互作，在根系硝酸根吸收和花期硝酸根循環(huán)再利用過(guò)程中發(fā)揮轉(zhuǎn)運(yùn)功能。超表達(dá)TaNRT2.5-3B的小麥植株生物量和籽粒產(chǎn)量均大幅提高，而其RNAi植株產(chǎn)量顯著低于對(duì)照植株［34］。

2.2 硝酸根同化相關(guān)基因與植物產(chǎn)量調(diào)控

植物從外界環(huán)境中攝取硝酸根后，首先在胞質(zhì)中被NIA轉(zhuǎn)化為亞硝酸根（NO2-），隨 后 轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體或質(zhì)體中被NIR1還原為銨（NH4+）。擬南 芥 中 有2個(gè)NIA基 因（AtNIA1和AtNIA2）和1個(gè)NIR基因（AtNIR），而水稻中有3個(gè)NIA基因（OsNIA1和OsNIA2等）和兩個(gè)NIR基因（OsNIR1和OsNIR2）［23］。對(duì)NIA和NIR基因突變體及超表達(dá)植株的研究表明，上述基因的表達(dá)水平影響植株的氮素?cái)z取和利用效率，但是對(duì)植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量沒(méi)有顯著作用［35］。

銨由GS和GOGAT進(jìn)一步同化，其中GS將銨轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，GOGAT將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為谷氨酸。在高等植物中，存在兩條銨同化途徑，一條定位于胞質(zhì)中，受GS1和NADH-GOGAT調(diào)控，主要參與根部銨根代謝和葉片衰老進(jìn)程中氮素的重新利用；另一條定位于質(zhì)體中，受GS2和Fd-GOGAT調(diào)控，主要負(fù)責(zé)同化質(zhì)體中硝酸根還原形成的銨和光呼吸產(chǎn)生的銨根［1］。

GS1在擬南芥和水稻中分別有5個(gè)成員（GLN1;1、GLN1;2、GLN1;3、GLN1;4和GLN1;5）和3個(gè)成員（OsGS1;1、OsGS1;2和OsGS1;3）；GS2在擬南芥和水稻中均只有一個(gè)成員（AtGS2和OsGS2）［23］。相 比GS2，GS1在 種 子 發(fā) 育 調(diào) 控 中起到更為重要的作用。不同氮素條件下，擬南芥gln1;1/gln1;2/gln1;3三突變體葉中氨基酸和銨根的含量更高，而氮素再利用效率以及多個(gè)產(chǎn)量指標(biāo)如種子總產(chǎn)量、單個(gè)種子重量和收獲指數(shù)等均顯著低于野生型植株［36］。在煙草中超表達(dá)擬南芥的GLN1;4基因，可提高植株在低氮條件下的GS活性、Glu含量以及種子產(chǎn)量［37］。水稻GS1基因突變體也有不同程度的產(chǎn)量降低。OsGS1;1在成熟葉片和韌皮部中表達(dá)豐度最高，其突變體成熟期的株高明顯低于野生型，而且籽粒灌漿受到抑制導(dǎo)致穗粒體積較小［38］。OsGS1;2以銨根依賴(lài)的方式在根部皮層細(xì)胞表達(dá)，其突變體分蘗數(shù)和穗數(shù)與野生型相比明顯減少［39］。過(guò)表達(dá)OsGS1;1或OsGS1;2的水稻植株雖然GS活性升高，但是增產(chǎn)效果并不顯著，僅有個(gè)別研究表明在特定的生長(zhǎng)環(huán)境（人工生長(zhǎng)箱）中超表達(dá)OsGS1;2可提高水稻在高氮條件下的產(chǎn)量［40］。

擬南芥中，F(xiàn)d-GOGATs分別有2個(gè)同源基因GLU1和GLU2編碼，前者在葉片中豐度較高，而后者主要在根中表達(dá)；NADH-GOGAT僅有GLT一個(gè)基因編碼［23］。與擬南芥相反，水稻中Fd-GOGAT有一個(gè)基因編碼，而NADH-GOGAT有兩個(gè)基因編碼（OsNADH-GOGAT1和OsNADH-GOGAT2）［23］。OsNADH-GOGAT2與OsGS1;1組織定位類(lèi)似，二者協(xié)同作用負(fù)責(zé)將衰老葉片中的氮素經(jīng)韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)到穗中。在大田中，OsNADH-GOGAT2基因的突變導(dǎo)致水稻成熟期每穗小穗數(shù)與產(chǎn)量均大幅減少［41］。OsNADH-GOGAT1與OsGS1;2組織定位類(lèi)似，二者協(xié)同作用負(fù)責(zé)根系中銨根的代謝。OsNADH-GOGAT1基因的突變不但影響水稻苗期根系的發(fā)育，同樣影響其在大田中的產(chǎn)量。與對(duì)照植株相比，OsNADHGOGAT1突變體每株穗數(shù)、每穗小穗數(shù)、千粒重等產(chǎn)量指標(biāo)均小幅下調(diào)［42］。在其自身啟動(dòng)子的調(diào)控下過(guò)表達(dá)OsNADH-GOGAT，轉(zhuǎn)基因水稻植株谷物重量提升幅度最高可達(dá)到80%［43］。

其他主要農(nóng)作物中，硝酸根同化相關(guān)基因功能研究主要集中在GS1和GS2家族成員上。玉米中ZmGln1-3基因定位于葉肉細(xì)胞，是GS1家族中調(diào)控產(chǎn)量的主要成員［44］。其突變體籽粒數(shù)目明顯減少，而超表達(dá)植株籽粒數(shù)目顯著增加［44］。小麥中，TaGS2基因的4個(gè)單元型2Ab、2Ba、2Bb和2Da等與氮素利用和多種農(nóng)藝性狀密切相關(guān)［45］。導(dǎo)入其中一個(gè)優(yōu)良單元型TaGS2-2Ab轉(zhuǎn)基因小麥，不但氮素利用效率和生物量均明顯高于對(duì)照植株，而且穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重等籽粒產(chǎn)量指標(biāo)均有不同程度的提升［46］。高粱中，GS1家族成員之一的SbGln1.2在葉片中表達(dá)活性較高［47］。超表達(dá)SbGln1.2的轉(zhuǎn)基因植株在冬季溫室中生長(zhǎng)，產(chǎn)量高于對(duì)照植株；而在春季實(shí)驗(yàn)中則無(wú)顯著差異。這說(shuō)明光照等其他環(huán)境因素可能會(huì)影響GS1的活性，進(jìn)而調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育［47］。另外，將大豆中GS1家族成員GS15和Gmglnb1分別在百脈根和紫花苜宿中異源表達(dá)，均未發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)量有顯著影響［48-49］。

2.3 轉(zhuǎn)錄因子與植物產(chǎn)量調(diào)控

越來(lái)越多的研究表明除NLPs外，許多其它類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄因子參與到硝酸根信號(hào)通路中連接外界氮素信號(hào)和細(xì)胞核內(nèi)響應(yīng)基因的表達(dá)。但是，僅有少數(shù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄因子與植物產(chǎn)量的調(diào)控關(guān)系得以闡明。

Dof（DNA binding with one finger）蛋白是植物特有的一類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子。其N(xiāo)末端保守的單鋅指Dof結(jié)構(gòu)域是既與DNA結(jié)合又和蛋白相互作用的雙重功能域；C末端序列多變，是特異轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域。擬南芥、水稻和玉米等多個(gè)物種中的Dof轉(zhuǎn)錄因子家族成員均在植物增產(chǎn)中發(fā)揮重要調(diào)控作用。水稻中的Dof轉(zhuǎn)錄因子OsRDD1（Dof daily fluctuations 1）可通過(guò)促進(jìn)包括氮素在內(nèi)的各類(lèi)無(wú)機(jī)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收提高產(chǎn)量［50］。反義OsRDD1轉(zhuǎn)基因水稻籽粒大小和千粒重均小于對(duì)照植株［51］，而超表達(dá)OsRDD1水稻的氮素響應(yīng)能力和每穗粒數(shù)、單株粒數(shù)及單株總粒重等產(chǎn)量指標(biāo)均有不同幅度的提高［51］。玉米中Dof轉(zhuǎn)錄因子ZmDof1可平衡植株中N/C代謝。利用組織特異性啟動(dòng)子rbcS1調(diào)控ZmDof1在小麥中的表達(dá)，轉(zhuǎn)基因植株的氮素利用效率、生物量和產(chǎn)量均有顯著增加［52］。同時(shí)，在擬南芥和水稻中分別超表達(dá)ZmDof1均可提高植株在低氮條件下的氮素利用效率和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)［53-54］。此外，研究人員還將擬南芥的AtDof1.7基因轉(zhuǎn)入煙草中進(jìn)行過(guò)量表達(dá)。低氮條件下，轉(zhuǎn)基因植株中總蛋白、葉綠素、蔗糖和葡萄糖含量以及參與碳氮代謝的多種酶類(lèi)的活性明顯高于野生型植株，種子產(chǎn)量也得到提高［37］。

NAC（NAM，ATAF and CUC）蛋白也是植物特有的一類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，其N(xiāo)端具有一個(gè)約由150個(gè)氨基酸組成的保守NAC結(jié)構(gòu)域，C端具有一個(gè)高度變異的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。TaNAC2-5A是小麥中一個(gè)受硝酸根誘導(dǎo)的NAC調(diào)控因子［55］。超表達(dá)TaNAC2-5A不但可以增強(qiáng)小麥根系吸收氮素的能力，還可以促進(jìn)氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量［55］。進(jìn)一步分析表明，TaNAC2-5A可直接與硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TaNRT2.5-3B、TaNRT2.1-6B、TaNPF7.1-6D和谷氨酰胺合成酶TaGS2-2A等編碼基因的啟動(dòng)子結(jié)合，并調(diào)控相應(yīng)基因的表達(dá)［34，55］。因此，TaNAC2-5A可直接通過(guò)調(diào)控硝酸根的吸收和同化促進(jìn)小麥產(chǎn)量的提高。

NF-Y是一類(lèi)結(jié)合CCAAT-box的重要轉(zhuǎn)錄因子，包括NF-YA、NF-YB和NF-YC三個(gè)亞基。氮饑餓或磷饑餓的條件可誘導(dǎo)小麥中多個(gè)TaNF-YA基因的表達(dá)［56］。過(guò)表達(dá)其中的一個(gè)成員TaNF-YA-B1后，轉(zhuǎn)基因小麥側(cè)根分枝、硝酸根和磷酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)水平以及氮素吸收能力顯著增強(qiáng)［56］。同時(shí)，不論在低氮還是低磷條件下，轉(zhuǎn)基因小麥的穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量與對(duì)照相比均有提高［56］。因此，TaNF-YA-B1可有助于投入較少的肥料達(dá)到高產(chǎn)的目標(biāo)。

研究人員最近還鑒定了一個(gè)負(fù)調(diào)控小麥硝酸根吸收和籽粒產(chǎn)量的轉(zhuǎn)錄因子TabZIP60。與正調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子不同，硝酸根可抑制TabZIP60的表達(dá)［57］。利用RNAi 技術(shù)下調(diào)TabZIP60的表達(dá)后，NADHGOGAT酶活性增強(qiáng)，轉(zhuǎn)基因小麥的側(cè)根分枝、硝酸根吸收和穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量均不同程度的增加；而超表達(dá)植株的表型與之相反［57］。ChIP-qPCR和EMSA實(shí)驗(yàn)表明，TabZIP60可結(jié)合到TaNADH-GOGAT-3B基因啟動(dòng)子中的ABRE結(jié)構(gòu)域并負(fù)調(diào)控其表達(dá)［57］。進(jìn)一步探究表明，將TaNADH-GOGAT-3B在超表達(dá)TabZIP60-6D的轉(zhuǎn)基因株系中過(guò)表達(dá)，可恢復(fù)其穗數(shù)和產(chǎn)量減少的性狀［57］。因此，TabZIP60影響小麥NUE和產(chǎn)量主要是通過(guò)其對(duì)TaNADH-GOGAT表達(dá)的負(fù)調(diào)控實(shí)現(xiàn)的。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，植物通過(guò)感知外界環(huán)境硝酸根濃度變化、傳遞硝酸根信號(hào)以及有效地吸收分配硝酸根到不同的組織器官中等多種方式調(diào)節(jié)開(kāi)花時(shí)間和種子產(chǎn)量。其中每一個(gè)步驟都受到外界因子和內(nèi)在遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜調(diào)控。目前，已經(jīng)對(duì)模式植物擬南芥和水稻以及部分農(nóng)作物中促進(jìn)早熟或高產(chǎn)的硝酸根感受器、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、代謝調(diào)控基因和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子等的作用機(jī)理進(jìn)行了闡釋?zhuān)ū?）。但是，在深入挖掘分子機(jī)制和應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐等方面仍然存在多個(gè)挑戰(zhàn)。

許多氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝蛋白具有不同的表達(dá)模式及組織、細(xì)胞或亞細(xì)胞定位特征。精確動(dòng)態(tài)地調(diào)控這些基因的時(shí)空表達(dá)對(duì)合理發(fā)揮其生物學(xué)功能至關(guān)重要。目前，大多數(shù)轉(zhuǎn)基因研究中均采用CaMV 35S和Ubiquitin等組成型啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)目的基因表達(dá)，進(jìn)而提高NUE和植物產(chǎn)量。鑒于氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝蛋白的復(fù)雜性，在后續(xù)研究工作中可選擇組織特異性啟動(dòng)子或誘導(dǎo)型啟動(dòng)子調(diào)控基因表達(dá)，進(jìn)而更為精準(zhǔn)有效地改善NUE。例如，通過(guò)低氮誘導(dǎo)的啟動(dòng)子調(diào)控硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)進(jìn)而增強(qiáng)植株在低氮環(huán)境中的硝酸根吸收能力；通過(guò)衰老誘導(dǎo)啟動(dòng)子調(diào)控硝酸根再利用蛋白的表達(dá)從而促進(jìn)成熟期硝酸根從葉片向種子中的轉(zhuǎn)運(yùn)；通過(guò)根部或光誘導(dǎo)特異性啟動(dòng)子調(diào)控根系或葉片中硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝基因的表達(dá)等。

增強(qiáng)硝酸根的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，在提高產(chǎn)量的同時(shí)可能會(huì)推遲開(kāi)花而延長(zhǎng)成熟時(shí)間。因此，具有早熟高產(chǎn)雙重效應(yīng)的調(diào)控因子還不多見(jiàn)。對(duì)擬南芥AtNRT1.1和水稻OsNRT1.1A的研究表明，多種作物中的NRT1.1s可作為調(diào)節(jié)氮素利用和促進(jìn)早熟高產(chǎn)的重要候選基因（圖3）。另外，水稻中OsNRT1.1A和OsNRT1.1B存在較大的功能異化，也提示我們同一作物中NRT1.1s的不同拷貝可在植物環(huán)境適應(yīng)性中發(fā)揮重要調(diào)控作用。除NRT1.1s外，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)和表型組學(xué)等多組學(xué)聯(lián)用將為在今后工作中大力挖掘更多的雙重效應(yīng)調(diào)控因子提供有力手段。

硝酸根作為信號(hào)分子調(diào)控植物生長(zhǎng)，植物激素主要生物學(xué)功能之一也是調(diào)節(jié)植物發(fā)育。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)硝酸根和植物激素信號(hào)通路的解析大多分開(kāi)進(jìn)行，從而導(dǎo)致對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素和激素互作協(xié)同調(diào)控植物發(fā)育機(jī)制的理解比較有限。除了上文提到的開(kāi)花調(diào)控外，根系形態(tài)建成和植株分枝性狀與硝酸根利用和產(chǎn)量性狀密切相關(guān)。為了適應(yīng)土壤中硝酸根非均勻供應(yīng)條件，植物根系表現(xiàn)出較強(qiáng)的可塑性反應(yīng)，合理利用養(yǎng)分，維持適當(dāng)生長(zhǎng)狀態(tài)和生理功能。同時(shí)，生長(zhǎng)素、乙烯和脫落酸等3類(lèi)激素在根系形態(tài)建成過(guò)程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。分枝不但是植物株型的重要決定因子，也是與作物產(chǎn)量直接相關(guān)的生物性狀。生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和獨(dú)腳金內(nèi)酯等三類(lèi)激素互作，共同調(diào)控植株分枝過(guò)程。因此，深入探究硝酸根和激素信號(hào)協(xié)同調(diào)控植物生長(zhǎng)的分子機(jī)制，并進(jìn)一步挖掘其中的核心作用元件，將是未來(lái)重要研究方向之一。

總之，揭示硝酸根相關(guān)重要基因的分子調(diào)控機(jī)制，并通過(guò)基因工程的手段進(jìn)行遺傳改良是改善植物開(kāi)花及產(chǎn)量性狀的可行方法。目前，除繼續(xù)利用單雙子葉模式植物進(jìn)行基因功能解析外，仍亟需將模式植物的研究成果延伸到其他農(nóng)作物品種中，尋找同源基因或者探究類(lèi)似的調(diào)控機(jī)制，為合理利用氮肥、提高氮素利用效率和培育早熟高產(chǎn)作物新品種發(fā)揮更大的應(yīng)用潛力。

獻(xiàn)文考參［5-6］［10］［19］［19］［10］［10］［6］［6］［6］［36-37］［37］［7］［24-25］［7］［7］［7］［7］［26］［27］［29］［30］［38-39］［41-43］［50-51］開(kāi)控徑途量產(chǎn)調(diào)量徑途量因基鍵調(diào)花根開(kāi)子徑徑量酸控因途途產(chǎn)硝調(diào)鍵花花子與根關(guān)開(kāi)控開(kāi)種參酸的控調(diào)控控控，硝作調(diào)根調(diào)調(diào)調(diào)體與互子根酸根根根NUE和受參徑因酸硝酸酸酸高和，途控硝受硝硝硝提白子期調(diào)與平與受受蛋因周正參水參平平，胺運(yùn)錄光徑，達(dá)，水水酰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)與途子表子達(dá)達(dá)氨根心根花因，因表表酸核酸開(kāi)合子合，，谷為硝應(yīng)硝控整因整子子化性響控調(diào)徑游徑因因轉(zhuǎn)和徑根調(diào)根途途游游能親途酸花酸花花銨化功雙花硝開(kāi)硝開(kāi)SOC1上開(kāi)FT上FT上催和產(chǎn)花徑徑花的開(kāi)途途開(kāi)導(dǎo)控花花量量產(chǎn)的介調(diào)開(kāi)開(kāi)徑產(chǎn)粒量導(dǎo)根根控控途量量粒產(chǎn)籽籽介酸酸調(diào)調(diào)花產(chǎn)產(chǎn)粒粒響子根硝硝根根開(kāi)籽籽影種酸與與酸酸控量后NUE和硝參參硝硝調(diào)產(chǎn)NUE和變與，，與與參器子參參根粒高突酸NUE和籽NUE和提，，受因，，硝高高高，胺高器感錄子子與提提提白酰提受及轉(zhuǎn)因因，感白心進(jìn)進(jìn)參，，，蛋氨，白白白助谷謝根蛋核促促子蛋蛋蛋輔為代酸運(yùn)應(yīng)花花因運(yùn)運(yùn)運(yùn)運(yùn)化素硝轉(zhuǎn)響開(kāi)開(kāi)氮內(nèi)根根照照進(jìn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)促根根根根銨控胞控酸酸日日花酸酸酸酸化調(diào)細(xì)調(diào)硝控硝短長(zhǎng)開(kāi)硝硝硝硝催產(chǎn)粒籽響影后變突，酸氨谷為化轉(zhuǎn)胺酰氨谷化催量產(chǎn)粒籽高提，收吸子離機(jī)無(wú)進(jìn)促關(guān)的量產(chǎn)及花開(kāi)控調(diào)根酸硝中員成族族家因基NPF家酶原還化白子子蛋因因合錄-NADP+-氧錄結(jié)子子轉(zhuǎn)子胺因因員族白因醇錄錄成NLP家體蛋受還錄乙轉(zhuǎn)酰轉(zhuǎn)族光氧脂藍(lán)鐵MADS-box轉(zhuǎn)SPL轉(zhuǎn)磷AP2類(lèi)AP2類(lèi)GS1家子員因成錄族Dof轉(zhuǎn)NPF家員成族NPF家白白子蛋蛋因合合結(jié)結(jié)子錄因員員員員轉(zhuǎn)胺胺控成成成成員族醇醇調(diào)族族族族成NLP家乙乙酰酰應(yīng)族脂脂反磷磷B型NPF家NPF家NRT2家NAR2家GS1家員成族NADH-GOGAT家子因錄Dof轉(zhuǎn)稻水和芥南1 擬表登At1g12110號(hào)錄At1g64530/At4g24020 At4g08920 At5g66190 At2g45660 At2g33810/At3g15270 At1g65480 At3g54990 At2g39250 At5g37600/At1g66200/At3g17820/At5g16570 At1g51700 LOC_Os08g05910 LOC_Os10g40600 LOC_Os01g13540 LOC_Os06g06320 LOC_Os06g06300 LOC_Os10g32600 LOC_Os01g50820 LOC_Os04g50950 LOC_Os02g02170 LOC_Os02g38230 LOC_Os02g50240/LOC_Os03g12290 LOC_Os01g48960/LOC_Os05g48200 LOC_Os01g15900基AtNPF6.3（AtNRT1.1）稱(chēng)名因AtNLP6/7 CRY1 FNR1 SOC1 SPL3/5 FT SMZ SNZ GLN1;1/GLN1;2/GLN1;3/GLN1;4 AtDof1.7 OsNPF6.3（OsNRT1.1A）OsNPF6.5（OsNRT1.1B）OsNLP3 OsHd3a OsRFT1 OsEhd1 OsNRT2.3b OsNPF7.3 OsNRT2.1 OsNAR2.1 OsGS1;1/OsGS1;2 OsNADH-GOGAT1/2 OsRDD1種物芥源南來(lái)擬（Arabidopsis thaliana）稻水（Oryza sativa）

圖3 多種植物中NRT1.1s進(jìn)化樹(shù)分析和序列比對(duì)圖