水稻氮高效相關(guān)基因的研究進(jìn)展

桑世飛，曹夢雨，王亞男，王君怡，孫曉涵，張文玲，姬生棟*

水稻氮高效相關(guān)基因的研究進(jìn)展

桑世飛1,2，曹夢雨1，王亞男1，王君怡1，孫曉涵1，張文玲3*，姬生棟1,2*

1河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007；2河南省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心，河南新鄉(xiāng) 453007；3河南省種子管理站，鄭州 450046

提高氮肥利用率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮肥投入，對實(shí)現(xiàn)中國提出的“化肥零增長”目標(biāo)至關(guān)重要。氮素可通過植物根部以硝態(tài)氮或者銨態(tài)氮的形式從土壤中被吸收，并在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)合成氨基酸、核苷酸等生命必需物質(zhì)，是農(nóng)作物生長和產(chǎn)量形成的必要性元素。然而，氮肥過量則會(huì)破壞土壤理化性質(zhì)，導(dǎo)致土壤鹽堿化、生態(tài)環(huán)境污染；減少氮肥用量難以發(fā)揮當(dāng)前水稻、小麥等大田農(nóng)作物品種的高產(chǎn)潛力，極大地制約了農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時(shí)也會(huì)過度消耗土壤中的氮素，威脅中國的糧食安全。為提高氮肥利用效率，確保糧食安全，挖掘氮高效基因（如、等），通過分子設(shè)計(jì)育種對當(dāng)前現(xiàn)有品種進(jìn)行遺傳改良，有助于培育高效利用氮素的水稻新品系，挖掘當(dāng)前水稻品種的生產(chǎn)潛力，提升中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展水平。本文基于目前水稻研究中挖掘的氮高效基因，根據(jù)其功能和特點(diǎn)將其分為四類：NRT/PTR類、AMT類（銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族）、NLP家族類及其他種類；并對具有潛在育種價(jià)值的氮高效基因的利用及當(dāng)前存在的問題進(jìn)行分析與展望。

氮；水稻；氮肥；氮高效基因

0 引言

中國是世界上最早種植水稻的國家，歷史悠久[1]，而且水稻也是中國人民的主要口糧，全國大約有65%的人口以稻米為主食[2]，因此，水稻生產(chǎn)狀況直接決定著中國人民的口糧安全。氮素對產(chǎn)量的影響僅次于水，位于水稻生長發(fā)育所需的營養(yǎng)元素三要素之首，是水稻生長和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[3]，同時(shí)也是水稻種植外部投入成本的重要構(gòu)成[4]。近年來，中國提出了“化肥零增長”的目標(biāo)，因此，降低農(nóng)業(yè)種植氮肥投入，提高氮肥利用率顯得尤為重要。

植物通過其根部從土壤中吸收的氮素主要有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮2種形式[5]，從根部吸收的硝酸鹽在植物體被還原成亞硝酸鹽，然后被進(jìn)一步還原成銨，隨后在植物體內(nèi)被同化為谷氨酰胺，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為谷氨酸或其他形式的有機(jī)氮[6]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）調(diào)查研究認(rèn)為，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥對全球糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高達(dá)50%—60%[7]，即施肥是當(dāng)前全球農(nóng)作物增產(chǎn)的一個(gè)主要途徑[8]。目前，中國水稻的平均氮肥使用量為180 kg·hm-2，超出世界水稻氮肥平均用量的75%，比世界上任何其他國家都要多[9-10]。

氮肥利用量存在一定的閾值，過量使用不僅難以繼續(xù)提高農(nóng)作物產(chǎn)量，還會(huì)降低肥效、利用率，引起氮素的流失、營養(yǎng)資源的浪費(fèi)，進(jìn)而通過水排放、空氣傳播等途徑對生態(tài)環(huán)境造成污染，破壞水資源和土壤理化性質(zhì)[11]。植物體中有大量的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與氮素的吸收和利用，對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)形成起著重要作用。然而，當(dāng)前水稻尤其在中國北方以及東北粳稻區(qū)種植的粳稻，氮高效基因利用頻率依舊較低，如氮高效基因多存在于秈稻，北方粳稻區(qū)種質(zhì)資源中含有該基因高效等位型資源極其匱乏[12]。因此，研究農(nóng)作物對氮素的吸收、運(yùn)輸以及氮同化等過程機(jī)制，挖掘氮高效利用基因，對氮肥減施、降低水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[13]。

目前，在水稻中已經(jīng)挖掘出了諸多和氮轉(zhuǎn)運(yùn)及氮高效利用相關(guān)的基因，本文綜合以往文獻(xiàn)報(bào)道，將氮轉(zhuǎn)運(yùn)或利用效率相關(guān)基因分別歸納為NRT/PTR（硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)、肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）類基因、AMT（銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白類基因）、NPL家族類基因及其他類型基因四大類，并分別綜述了各類基因在水稻氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及同化方面的作用，為進(jìn)一步研究利用氮高效基因、化肥減施奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為生產(chǎn)實(shí)踐中提高氮素利用效率提供理論參考。

1 硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)/肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白類基因（NRT/PTR）

1.1 NPF類基因

硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)1/肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（nitrate transporter 1，NRT1/peptide transporter，PTR）兩類蛋白在植物中普遍存在，且序列具有較高的同源性，因此，有學(xué)者直接將兩類蛋白合并稱之為NPF家族[14]。NPF家族能夠運(yùn)輸羧酸鹽、植物激素（生長素和脫落酸）或防御化合物（硫代葡萄糖苷）等物質(zhì)，包括低親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)（NRT1）和小肽轉(zhuǎn)運(yùn)（PTR）2個(gè)亞家族的全部成員（表1）[15]。目前，已有多個(gè)研究報(bào)道NPF家族基因編碼的蛋白在功能上具有一些共性，如OsNPF2.2、OsNPF2.4、OsNPF4.5、OsNPF7.2和OsNRT1都是低親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。2015年，Li等[16]通過對突變體研究發(fā)現(xiàn)硝酸鹽主要在植物根部積累，而地上部分與根系的硝酸鹽比率較低，說明突變阻礙了硝酸鹽從水稻根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)及維管發(fā)育，該基因在水稻體內(nèi)硝酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)中扮演了重要角色。OsNPF2.4蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)膜，基因主要在表皮、木質(zhì)部薄壁組織及韌皮部伴生細(xì)胞處表達(dá)；以15NO3-為底物探究N在水稻植株體內(nèi)的運(yùn)輸，敲除后，水稻突變體在NO3-的獲取和長距離運(yùn)輸方面均大幅度降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)其表達(dá)量的改變會(huì)間接影響根和莖之間的鉀循環(huán)[17]。可通過菌根途徑增加氮素吸收，吸收的氮占總氮的40%，其中，通過OsNPF4.5蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的硝態(tài)氮約45%，進(jìn)一步過表達(dá)，水稻氮素吸收效率可顯著提高[18]。雖然這些基因都能在氮轉(zhuǎn)運(yùn)中起到一定的作用，但是基因發(fā)揮功能的方式卻并不相同，如、在從根部到地上部位的轉(zhuǎn)運(yùn)中扮演著更重要的角色，而則是通過菌根途徑，轉(zhuǎn)運(yùn)硝態(tài)氮并加以利用。

表1 NPF家族的基因種類及特征

和均定位在液泡，主要在根部的伸長區(qū)、成熟區(qū)表達(dá)，尤其是根的厚壁組織、皮層和中柱，在根系細(xì)胞內(nèi)的硝酸鹽分配中起重要作用，可在高硝酸鹽濃度條件下影響水稻生長，敲除會(huì)影響水稻在高硝酸鹽供應(yīng)下的生長[19]。與類似，主要在根部表達(dá)，基因沉默株系中葉片氨基酸積累減少，而過表達(dá)株系雖然可提高根葉干重、總自由氨基酸含量、分蘗數(shù)、穗數(shù)，但降低了高銨供應(yīng)條件下氮的利用效率（nitrogen use efficiency，NUE）[20-21]，這一現(xiàn)象說明低親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在增加硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)，不一定能增加氮肥的利用效率，而且多數(shù)低親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在高硝酸根濃度條件下才能發(fā)揮作用氮轉(zhuǎn)運(yùn)作用，這一類基因在水稻育種中的價(jià)值值得商榷。

有2個(gè)剪接變異體，改變每一個(gè)變異體的表達(dá)都能調(diào)節(jié)枝條分枝和氮素利用率，各變異體的表達(dá)水平?jīng)Q定了腋芽的生長，進(jìn)而影響水稻的分蘗數(shù)。過表達(dá)長轉(zhuǎn)錄本可促進(jìn)根系硝酸鹽內(nèi)流和濃度，而過表達(dá)短轉(zhuǎn)錄本可促進(jìn)根系銨離子內(nèi)流和濃度。RNAi和株系表現(xiàn)為葉鞘氨基酸含量增加，葉片氨基酸含量減少，從而影響氮素分配和植株生長，說明該基因是通過不同轉(zhuǎn)錄形式來促進(jìn)氮素吸收利用[22]。存在2種單倍型A和單倍型B，通過近等基因系和表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)單倍型B的株高、產(chǎn)量和硝酸鹽吸收量在高低氮狀態(tài)下均高于單倍型A，單倍型B的啟動(dòng)子具有73個(gè)SNP和14個(gè)Indel，比單倍型A的啟動(dòng)子多了2個(gè)CAGG基序；受硝酸鹽誘導(dǎo)，具有硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)活性，主要在水稻側(cè)根、根表皮細(xì)胞及葉節(jié)中表達(dá)，可能直接參與硝酸鹽的吸收和再分配，單倍型B的啟動(dòng)子能夠感知體內(nèi)的硝酸鹽信號，響應(yīng)外界氮缺乏，提高氮素利用效率，對當(dāng)前品種的氮素利用率鑒定發(fā)現(xiàn)，擁有該基因型的品種具有更高的氮肥利用效率，如Suwon264、Kexuan13和IR36[23]。TANG等[24]發(fā)現(xiàn)敲除株系地上部和根部的砷含量均低于野生型，對二甲基砷酸具有轉(zhuǎn)運(yùn)活性，參與了稻谷砷的積累。在擬南芥中，過表達(dá)（）可以增加芽的生長和氮含量[25]，然而在水稻中目前并沒有該基因與氮素轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的報(bào)道，該基因是否在水稻中發(fā)生了功能性分化，有待于進(jìn)一步研究。OUYANG等[26]研究發(fā)現(xiàn)（）受鹽和干旱脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)，而過表達(dá)（）則可以增加銨的吸收，促進(jìn)側(cè)根的形成，并增加水稻的產(chǎn)量[27]。

水稻基因組中存在3個(gè)與擬南芥NRT1.1同源的蛋白，分別命名為OsNRT1.1A、OsNRT1.1B和OsNRT1.1C。在根、表皮和根毛的最外層表達(dá)[28]，是水稻低親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的重要組成。三者在功能和亞細(xì)胞定位方面表現(xiàn)出了明顯的差別，定位于液泡膜，而定位于細(xì)胞膜；不同的定位可能是造成功能差別的重要原因；受硝酸鹽誘導(dǎo)，而受銨鹽誘導(dǎo)；主要參與水稻對外界硝酸鹽的應(yīng)答反應(yīng)，而則參與水稻對細(xì)胞內(nèi)硝酸鹽及銨鹽的調(diào)節(jié)。Wang等[29]發(fā)現(xiàn)參與調(diào)節(jié)氮的利用，而且在促進(jìn)氮利用相關(guān)基因的表達(dá)方面，對硝酸鹽、銨以及開花相關(guān)基因表達(dá)都有促進(jìn)作用。過表達(dá)植株在高氮或低氮條件下均表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，尤其在低氮條件下，過表達(dá)株系的小區(qū)產(chǎn)量及氮利用效率最高可提升60%，而在高氮條件下相較于對照品種可提早開花2周以上，從而有效縮短成熟時(shí)間[29]。在粳稻和秈稻中存在差異（圖1），秈稻、粳稻編碼區(qū)存在2個(gè)SNP，其中第一個(gè)SNP為T/C，導(dǎo)致氨基酸第327位出現(xiàn)Met/Thr的差別，的這一自然變異很大程度上解釋了秈稻和粳稻之間的氮肥利用效率差異。的表達(dá)受硝酸鹽的誘導(dǎo)，可增強(qiáng)其與磷酸鹽信號抑制因子SPX4的相互作用，并招募OsNRT1.1B互作蛋白NBIP1通過NRT1.1B-SPX4- NLP3調(diào)控模塊實(shí)現(xiàn)氮磷營養(yǎng)平衡，促進(jìn)養(yǎng)分高效利用[12]。還可以通過調(diào)控水稻根系微生物，從而改變根際微環(huán)境，進(jìn)而影響到氮肥利用效率，這也是水稻秈粳亞種間的氮肥利用效率差異的一大原因。秈稻根系富集的微生物多樣性明顯高于粳稻，也可能是導(dǎo)致秈稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一[30]。

1.2 NRT2類基因

硝酸鹽（NO3-）是高等植物利用的主要氮源之一，植物從土壤中獲得的大部分NO3-是由NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（nitrate transporter，NRT）主動(dòng)運(yùn)輸[35]，除了上面提到的NRT1類蛋白，與之同源的還有NRT2類蛋白主要參與NO3-的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，是重要的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體[36]，目前已挖掘出部分NRT2類型的基因，在氮高效利用方面表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力（表2）。

水稻硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體被轉(zhuǎn)錄成2個(gè)剪接異構(gòu)體，和均位于質(zhì)膜上，在低硝酸鹽供給條件下，的RNAi株系硝酸鹽和總氮在根部積累量顯著高于野生型，而地上部分顯著低于野生型，表明在水稻硝態(tài)氮從根到地上的長距離運(yùn)輸中起著關(guān)鍵作用[37]。而主要表達(dá)于韌皮部，基因可對細(xì)胞溶質(zhì)pH感應(yīng)，調(diào)節(jié)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)活性的開關(guān)，提高胞內(nèi)pH平衡性，水稻中過表達(dá)可增強(qiáng)植株pH緩沖能力，增加硝態(tài)氮的吸收[31]，說明不同剪接異構(gòu)體在體內(nèi)扮演著不同的角色，共同維持了氮的吸收與穩(wěn)態(tài)。

紅色部分為秈稻基因，其余為粳稻基因 red part is indica genes, and the rest are japonica genes

表2 NRT2基因的種類及特征

OsNRT2.4是一種具有雙重親和力的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，敲除株系側(cè)根數(shù)量和長度以及總氮量均有所下降，同時(shí)還降低了芽的生長和氮的分布，說明是硝酸鹽調(diào)控的水稻根系和地上部生長所必需的[37]。Katayama等[39]研究發(fā)現(xiàn)可能有助于低氮條件下植物生長的遺傳改良。、和均可以與互作，需要伴侶蛋白的協(xié)作才能夠發(fā)揮功能，在不同硝酸鹽濃度下，均能夠促進(jìn)水稻根系對硝酸鹽的運(yùn)輸[40]。但有研究發(fā)現(xiàn)的組成型表達(dá)不僅未能提高產(chǎn)量和氮素利用效率，還會(huì)降低產(chǎn)量和氮利用率，說明一般的組成型強(qiáng)啟動(dòng)子單獨(dú)過量表達(dá)并不能提高水稻最終的產(chǎn)量[41]。

2 AMT（銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）類基因

植物體中無機(jī)氮的主要來源是銨（NH4+）和硝酸鹽（NO3?）[45]。銨的吸收通常由銨根轉(zhuǎn)運(yùn)體AMT類基因驅(qū)動(dòng)（表3）[46]。位于質(zhì)膜，其編碼蛋白是一個(gè)低親和性的NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，且介導(dǎo)的NH4+吸收和傳遞未受胞內(nèi)或胞外pH影響，但受底物積累的反饋調(diào)節(jié)；此外，酪氨酸特異蛋白激酶和鈣調(diào)絲氨酸/蘇氨酸特異蛋白磷酸酶參與的磷酸化過程能夠調(diào)控的功能[47]。敲除會(huì)顯著降低從根到芽的總氮轉(zhuǎn)運(yùn)，的突變會(huì)降低高NH4+和低NH4+條件下植物對NH4+吸收以及根系和地上部的生長，說明對NH4+的吸收具有顯著貢獻(xiàn)[48]。和均在根部特異性表達(dá)，其表達(dá)受銨根抑制[49]。過表達(dá)可促進(jìn)的表達(dá)[50]。Bao等[51]研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)材料中，葉片中的碳氮含量顯著降低，葉片的C/N比值較高。水稻幼苗根部通過OsAMT1家族3個(gè)成員的差異表達(dá)調(diào)節(jié)高親和性銨的內(nèi)流，不過家族的3個(gè)基因均會(huì)受到谷氨酰胺的反饋調(diào)節(jié)[52]。單突變體水稻中，銨鹽轉(zhuǎn)運(yùn)吸收及水稻生長并沒有影響，雙突變體的氮素含量下降了30%，而雙突變體的生長不受影響，三突變體中，莖稈生長受到抑制，水稻氮素積累下降72%。說明、、協(xié)同調(diào)控了水稻低氮條件下的銨轉(zhuǎn)運(yùn)吸收，在銨鹽轉(zhuǎn)運(yùn)中可能扮演了更為重要的功能[53]。

OsAMT2.1是功能性銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，具有組成型表達(dá)的特點(diǎn)[54]，然而在低銨狀況下突變系中根系對銨根的吸收并沒有與野生型表現(xiàn)出差別，而在高銨狀態(tài)下，根系對銨根吸收速率也僅僅稍微低于野生型，表明水稻銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因的主要功能并不是負(fù)責(zé)水稻根系對銨態(tài)氮的吸收，可能是在地上部發(fā)揮作用[55]。OsAMT3.1是參與菌根銨轉(zhuǎn)移的主要蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體，同菌體協(xié)作提高氮素利用效率[56]。OsAMT2.2、OsAMT2.3、OsAMT3.2、OsAMT3.3、OsAMT3.3、OsAMT4、OsAMT5.1和OsAMT5.2是銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，但它們的功能仍需進(jìn)一步探索。

表3 AMT基因的種類及特征

3 NLP家族類基因

目前，在NLP家族中也鑒定到了多個(gè)和氮高效利用相關(guān)的基因，從結(jié)構(gòu)功能上來看，它們屬于轉(zhuǎn)錄因子類的NIN蛋白（NIN-like protein，NLP）。NIN樣蛋白（NLP）家族轉(zhuǎn)錄因子被鑒定為硝酸鹽反應(yīng)順式元件（nitrate-responsive cis-element，NRE）的結(jié)合蛋白，在硝酸鹽調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)中起轉(zhuǎn)錄激活作用?；谒净蚪M數(shù)據(jù)分析，水稻中鑒定到6個(gè)NLP基因，分別命名為—（表4）。在硝酸鹽供給充足或者缺乏的情況下，都可以誘導(dǎo)促進(jìn)、和的表達(dá)，說明OsNLP基因在氮肥利用中起到了調(diào)節(jié)作用[60]。OsNLP3是硝酸鹽信號傳導(dǎo)的一個(gè)核心轉(zhuǎn)錄因子，受磷酸鹽信號阻遏物SPX4的調(diào)控。無硝酸鹽條件下，SPX4結(jié)合OsNLP3，定位于細(xì)胞質(zhì)；硝酸鹽處理下，NRT1.1B-SPX4相互作用增強(qiáng)，并且招募NRT1.1B相互作用蛋白NBIP1，促進(jìn)SPX4的泛素化和降解，促使OsNLP3“釋放”并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，激活氮利用相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[61]。通過對不同種質(zhì)資源中的序列分析，其cDNA中存在8個(gè)SNPs，其中1個(gè)是位于編碼區(qū)的錯(cuò)義SNP，據(jù)此將其分為A和B 2種單倍型，結(jié)合2種單倍型的生產(chǎn)表現(xiàn)認(rèn)為OsNLP4是一種優(yōu)良的單倍型，雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)證實(shí)，單倍型B的轉(zhuǎn)錄激活能力要強(qiáng)于單倍型A，這應(yīng)該是B單倍型優(yōu)良的主要因素。OsNLP4可與亞硝酸還原酶基因OsNiR啟動(dòng)子區(qū)的硝酸鹽順式作用元件NRE相結(jié)合，并激活其表達(dá)，提高氮肥利用率，增加水稻產(chǎn)量。OsNLP1蛋白定位于細(xì)胞核，低氮可誘導(dǎo)其表達(dá)；在不同施氮條件下，過表達(dá)株系生長、籽粒產(chǎn)量和氮素利用率均高于野生型，敲除則會(huì)降低低氮條件下的籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率；進(jìn)一步通過酵母雙雜交和免疫共沉淀分析發(fā)現(xiàn)OsNLP1可協(xié)同調(diào)控多個(gè)氮素吸收和同化基因的表達(dá)，從而調(diào)控硝態(tài)氮和銨態(tài)氮利用效率[62]。說明NLP家族基因作為轉(zhuǎn)錄因子，在氮肥相關(guān)基因的調(diào)控中起到了關(guān)鍵性作用，家族基因可作為調(diào)控氮肥利用效率的潛在靶標(biāo)。

表4 NLP基因的種類及特征

4 其他類型基因

除了上述提到的三類基因外，植物體內(nèi)還存在其他一些直接或間接參與氮素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的基因（表5）。如，是控制水稻側(cè)根和初生根發(fā)育的正調(diào)控因子，在硝酸鹽存在的條件下，過表達(dá)顯著增加了水稻的初生根生長、側(cè)根數(shù)、側(cè)根長及地上鮮重[64]。在水稻葉片、葉鞘和潁殼中表達(dá)水平較高，過表達(dá)能增加水稻對低氮的耐受性[65]。在對一個(gè)具有寬葉、小粒這種小“庫”和大“源”特征的突變體的研究中，發(fā)現(xiàn)該突變體的控制基因同樣不止控制葉寬與產(chǎn)量，15N同位素標(biāo)記硝酸銨檢測發(fā)現(xiàn)，其能夠在硝酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收中扮演重要功能，通過調(diào)節(jié)氮運(yùn)輸影響水稻株型結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量[66]。通過對水稻中的自噬基因過表達(dá)或敲除株系同位素15N示蹤研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)株系籽粒的氮利用效率顯著高于野生型或RNAi株系，說明其參與了氮向籽粒的循環(huán)積累。此外，部分基因存在互作，共同促進(jìn)植株對氮素的吸收，進(jìn)而提高氮利用效率。比如前面提到的SPX4可以激活氮調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子OsNLP3，高硝酸鹽濃度下可以增強(qiáng)NRT1.1B-SPX4相互作用，促進(jìn)SPX4的泛素化，促使“釋放”并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，激活氮利用的相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[61]。OsGRF4是一個(gè)植物碳-氮代謝的正調(diào)控因子，可以促進(jìn)氮素吸收、同化和轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而促進(jìn)植物生長發(fā)育。OsGRF4能與DELLA蛋白互作，赤霉素通過促進(jìn)DELLA蛋白降解，進(jìn)而增強(qiáng)OsGRF4轉(zhuǎn)錄激活活性，實(shí)現(xiàn)植物葉片光合碳固定能力和根系氮吸收能力的協(xié)同調(diào)控，從而維持植物碳-氮代謝平衡[67]。主要在水稻根表皮細(xì)胞表達(dá)，編碼產(chǎn)物是硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsNRT2.1/OsNRT2.2和OsNRT2.3a的伴侶蛋白，是水稻高親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分[40, 44]?？赡茉贜O3-吸收以及NO3-信號中發(fā)揮功能，并調(diào)控生長素從莖部向根部的轉(zhuǎn)運(yùn)，影響側(cè)根形成[68]。在氮素受限制條件下，開花期基因和組合顯著提高了氮素利用效率和產(chǎn)量[69]，同時(shí)激活和，提高水稻對氮素限制的耐受性，促進(jìn)植物對銨的吸收，和的雙重激活可提高植物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的表現(xiàn)，在水田條件下籽粒氮素積累更好，且不會(huì)造成產(chǎn)量損失；水稻在氮素供給受限的條件下種植時(shí)表現(xiàn)出更高的籽產(chǎn)量和氮含量[70]。有2個(gè)等位型，優(yōu)異等位基因普遍存在于野生稻種群，但在生產(chǎn)品種中大多缺失。等位基因的地理分布與土壤氮含量密切相關(guān)，表明在適應(yīng)不同地理區(qū)域的當(dāng)?shù)赝寥罈l件方面具有重要作用。的2個(gè)等位型（和）均參與植株對氮分蘗的響應(yīng)，但其對氮的響應(yīng)卻有所不同，參與高氮分蘗響應(yīng)，但在導(dǎo)入該基因型之后，會(huì)導(dǎo)致水稻抽穗期延遲，葉色深綠，成熟期轉(zhuǎn)色較差；參與低氮分蘗響應(yīng)[71]。

表5 其他類型基因的種類及特征

5 展望

氮是植物中最重要的常量元素之一，對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。通常大多數(shù)植物需要通過根系從土壤中吸收氮[5]。因此，全面研究氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收、利用等，有助于提高作物氮素利用效率，提高水稻中營養(yǎng)品質(zhì)及推動(dòng)水稻產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展（圖2）。植物體氮素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，很多功能基因?qū)Φ乩闷鹬灰蚨嘈У淖饔?，比如控制開花期的會(huì)抑制的表達(dá)，調(diào)控花期的同時(shí)調(diào)控氮素利用效率[69]，因此，對于很多功能基因在氮高效利用方面的功能還有待于進(jìn)一步挖掘。

目前，雖然已經(jīng)鑒定到了諸多氮高效利用基因，但是成功應(yīng)用到生產(chǎn)的分子設(shè)計(jì)育種案例依舊罕見；如儲(chǔ)成才研究團(tuán)隊(duì)克隆的氮高效基因，在導(dǎo)入粳稻之后，可在氮肥減施一半的情況下，比對照增產(chǎn)30%—33%，氮肥利用效率提高30%[12]。然而遺憾的是當(dāng)前粳稻品種的基因型中攜帶有的材料極其稀少[73]。目前生產(chǎn)上應(yīng)用的氮高效品種資源多是通過對種質(zhì)資源的氮高效評價(jià)，篩選氮高效種質(zhì)資源，如廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所育成的桂育11號是早晚兼用型優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種[74]，前期研究表明該品種屬于氮高效利用品種，與廣西農(nóng)民當(dāng)前的田間施氮量（187.5 kg·hm-2）相比，推廣桂育11號可減施氮肥20%[75]；種質(zhì)資源篩選發(fā)現(xiàn)K優(yōu)52苗期氮高效優(yōu)勢非常明顯[76]；值得注意的是，這些品種均不是通過分子育種所選育。目前在氮高效育種方面還多依賴于傳統(tǒng)的育種手段，也就是說當(dāng)前的基礎(chǔ)研究同應(yīng)用研究在一定程度上出現(xiàn)了脫節(jié)的情況。

圖2 氮素利用形式及水稻運(yùn)輸途徑

綜合分析之所以出現(xiàn)這種基礎(chǔ)研究與應(yīng)用脫節(jié)的狀況，可能存在以下幾個(gè)因素：第一，轉(zhuǎn)基因政策；從當(dāng)前已經(jīng)鑒定到的氮利用相關(guān)基因的作用機(jī)制看，大多數(shù)基因發(fā)揮功能需要過表達(dá)，如過表達(dá)增強(qiáng)了植株的pH緩沖能力與硝態(tài)氮的吸收，然而當(dāng)前基因過表達(dá)大多依賴于轉(zhuǎn)基因技術(shù)，這在全世界范圍看都是一個(gè)比較敏感的技術(shù)話題，一定程度上制約了該基因資源的進(jìn)一步應(yīng)用；第二，基因利用需要恰當(dāng)?shù)膯?dòng)子；通過對當(dāng)前氮高效基因的研究看，大多數(shù)基因的表達(dá)都存在一定的組織特異性，或者某些組織的偏好性，因此，在基因的應(yīng)用過程中采用組織特異性啟動(dòng)子或者組成型啟動(dòng)子可能難以達(dá)到理想中氮高效利用的效果，如的組成型過表達(dá)不僅未能提高產(chǎn)量和氮素利用效率，反而還會(huì)降低產(chǎn)量和氮利用率就是一個(gè)鮮明的案例；第三，種質(zhì)資源中缺乏優(yōu)異等位變異；在當(dāng)前的研究中大多采用突變體材料對氮轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)行研究，然而在水稻種植資源中是缺乏這種的變異資源的，因此，育種工作者即便知道該基因具有很好的利用價(jià)值，由于缺乏相應(yīng)的種質(zhì)資源也難以將其利用起來；第四，部分氮高效基因存在連鎖負(fù)面效應(yīng)，如導(dǎo)入會(huì)導(dǎo)致抽穗期延遲，基因間存在互作，氮肥利用效率也不是簡單基因間的累加，因此，如何應(yīng)用這類基因服務(wù)于生產(chǎn)及育種，也將會(huì)是今后重點(diǎn)研究的一個(gè)方向。

當(dāng)然，如果未來監(jiān)管政策方面的包容度能夠更高一些，目前新興的基因編輯技術(shù)或許能夠在一定程度解決上述存在的諸多問題，創(chuàng)制新型種質(zhì)資源、優(yōu)異等位變異，并對優(yōu)異種質(zhì)資源加以利用。在未來如何利用好這些新挖掘的氮高效基因，并利用分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)將它們真正的應(yīng)用于新品系、品種的選育，培育出真正有實(shí)用價(jià)值的氮高效利用水稻新品系，并投入到生產(chǎn)中，依舊是未來一個(gè)重要的研究課題。

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Research Progress of Nitrogen Efficiency Related Genes in Rice

SANG ShiFei1,2, CAO MengYu1, WANG YaNan1, WANG JunYi1, SUN XiaoHan1, ZHANG WenLing3*, JI ShengDong1,2*

1College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453007, Henan;2Henan Crop Genetic Improvement and Germplasm Innovation Engineering Research Center, Xinxiang 453007, Henan;3Henan Seed Management Station, Zhengzhou 450046

Over the last few years, China government has put forward a strategy to achieve the goal of “zero growth of chemical fertilizer”.It is particularly important to reduce the input of nitrogen fertilizer in agricultural production and enhance the nitrogen use efficiency in crops.Nitrogen is mostly absorbed from the soil by plant roots in the form of nitrate nitrogen (NO3-) and ammonium nitrogen (NH4-).It is transported from roots in plants to synthesize essential life substances, such as amino acids and nucleotides.Nitrogen is used as a basic element for crop growth and yield formation.However, excessive application of nitrogen fertilizer destroys the physical and chemical properties of the soil, causes undesirable changes to soil salinization, and pollutes the ecological environment, and pollutes the ecological environment.By reducing the quantity of nitrogen fertilizer, will destabilize the yield potential of field crops including rice and wheat which is being used as a staple food in China.It can threaten food security of the country.To improve the nitrogen use efficiency (NUE) and stabilize the food security, mining nitrogen-efficient genes, such as,etc., genetic improvement of current existing varieties through molecular design breeding will help to cultivate new nitrogen efficiently rice lines.Tapping the productive potential of current rice varieties will improve the level of sustainable agricultural development in our country.In this article, based on the nitrogen-efficient genes excavated in the current rice research, this article reviews the PTR (polypeptide transporter) family, NRT (nitrate transporter) family, AMT family (ammonium transporter family), NLP family and other types of rice nitrogen-efficient genes.The future prospects of gene utilization have been prospected.Based on the nitrogen-efficient genes excavated in the current rice research, they are divided into four categories: NRT/PTR, AMT (ammonium transporter), NLP and other types, and summarize their functions and characteristics, and analysis the utilization prospect and existing problems of nitrogen-efficient genes with potential breeding value.

nitrogen; rice; nitrogen fertilizer; nitrogen efficient gene

2021-11-01；

2021-12-30

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃（212102110064）、河南水稻產(chǎn)業(yè)體系項(xiàng)目（Z2012-04-G02）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)（2018YFD0200200）

桑世飛，E-mail：sangshifei@qq.com。曹夢雨，E-mail：cmy9211@163.com，桑世飛和曹夢雨為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者姬生棟，E-mail：jisd99@126.com。通信作者張文玲，E-mail：18638193503@163.com

（責(zé)任編輯 李莉）