作物耐低氮機(jī)制的研究進(jìn)展

符晶晶 李佳佳 徐翎清 周國慶 劉大麗

摘要： 氮（N）是作物的主要營養(yǎng)來源，低氮會(huì)限制作物的生長和產(chǎn)量，而過多的氮肥施用雖然在一定程度上能夠提高作物產(chǎn)量，但也會(huì)造成氮肥利用效率低及資源浪費(fèi)。開發(fā)具有較高的低氮（LN）耐受性或氮利用效率（NUE）的作物品種，對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文主要從作物對(duì)氮的吸收、低氮對(duì)作物生長和作物產(chǎn)量的影響、作物對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制、耐低氮基因型篩選、氮高效基因的研究進(jìn)展5個(gè)方面綜述作物對(duì)低氮的應(yīng)答機(jī)理。耐低氮基因型作物主要通過改變根部性狀（如更多側(cè)根、增大根表面積等），調(diào)控相關(guān)的代謝酶（如硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶）及褪黑素等表型和生理活動(dòng)調(diào)節(jié)，以改變其代謝所需能量，從而適應(yīng)低氮脅迫。此外，QTL定位、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、全基因組關(guān)聯(lián)分析等挖掘出一系列與氮高效利用相關(guān)的基因（如 ?OsNIGT1、GLN1.3、NRT1.1、ZmNAC36、BnaA04g07450 ?等），為進(jìn)一步作物耐低氮分子育種提供理論參考。

關(guān)鍵詞： 低氮脅迫；適應(yīng)機(jī)制；基因型；耐低氮基因；氮利用效率

中圖分類號(hào)：S184 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）02-0011-07

氮（nitrogen，N）不僅是蛋白質(zhì)、核酸和磷脂等細(xì)胞組分的主要成分，還是作物生長最重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一［1］。同時(shí)，氮是葉綠素的重要組成部分，氮素含量與光合作用密切相關(guān)［2］。因此，缺氮會(huì)影響作物的一系列生理活動(dòng)和表型，最終導(dǎo)致作物的生物量下降［3］。人們?cè)噲D通過大量施氮肥來提高作物產(chǎn)量，但研究表明，僅有30%～40%的氮素被利用［4］，未被吸收的氮以土壤侵蝕、微生物利用、氮淋溶、氮揮發(fā)、硝化等方式流失，并引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題［5］。因此，如何降低氮素使用量并提高作物的氮利用效率（nitrogen use efficiency，NUE），是目前亟待解決的問題。

1 作物對(duì)氮的吸收利用

作物能夠從土壤中吸收無機(jī)氮和有機(jī)氮。無機(jī)氮包括銨鹽和硝酸鹽，它們是作物氮素吸收的主要形式，可被同化為氨基酸，如谷氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺等；有機(jī)氮?jiǎng)t主要包括氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)等［6-7］。

1.1 硝態(tài)氮的吸收與同化

硝態(tài)氮是土壤中無機(jī)氮的主要存在形式［8］。作物根系從土壤中吸收硝態(tài)氮，受硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要是NRT1.1、NRT2.1、NRT2.2等NRT家族蛋白［9］。硝酸鹽被根系吸收后，可以貯存在細(xì)胞的液泡中，或者被根表皮和皮層細(xì)胞同化。多余的硝酸鹽通過木質(zhì)部導(dǎo)管輸送到葉肉細(xì)胞，并在葉肉細(xì)胞的液泡中暫時(shí)儲(chǔ)存。硝態(tài)氮還原為銨，需要2個(gè)連續(xù)反應(yīng)：首先，NO-3在細(xì)胞質(zhì)中被硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）還原成亞硝酸鹽；然后，亞硝酸鹽再通過亞硝酸還原酶（nitrite reductase，NiR）在葉綠體中進(jìn)一步還原成NH+4，由此形成氨基酸［10］，進(jìn)而在作物體內(nèi)發(fā)揮功能。

1.2 銨態(tài)氮的吸收與同化

作物對(duì)銨態(tài)氮的吸收主要通過銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ammonium transporters，AMTs）來完成。銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（AMTs）包括 AMT1、AMT2這2個(gè)家族［11］。例如，水稻是被鑒定出含銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因最多的植物種屬，發(fā)現(xiàn)4個(gè)亞類包括 10 個(gè)銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因： ?OsAMT1 1、OsAMT1 2、OsAMT1 3、OsAMT2 1、OsAMT2 2、OsAMT2 3、OsAMT3 1、OsAMT3 2、OsAMT3 3、OsAMT4 ?［12］。AMTs也可被劃分為高親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、低親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2種類型；其中AMT1屬于高親和銨鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要負(fù)責(zé)植物根中銨鹽的吸 收［13］。研究發(fā)現(xiàn)，水稻中編碼 ??OsAMT1 1、OsAMT1 2、 OsAMT1 3 ??的基因主要在根中表達(dá)，在低氮和中氮水平下， ?OsAMT1 3 ??基因在氮低效型品種中的表達(dá)量低于氮高效型品種［14］。在苜蓿、小麥、水稻等作物中，均鑒定出AMTs基因［15］。銨鹽的同化可以通過光呼吸作用發(fā)生在根或莖中［16］。 銨在葉片或根中通過谷氨酰胺合成酶（glutamine synthase，GS）- 谷氨酸合成酶（glutamate synthase，GOGAT）途徑結(jié)合到有機(jī)分子中［17］，產(chǎn)生多種氨基酸，在作物的氮代謝過程中發(fā)揮作用。NH+4在GS 的作用下結(jié)合谷氨酸并消耗1分子ATP生成谷氨酰胺（glutamine，Gln）；Gln可刺激GOGAT活性，從而將谷氨酰胺的酰基基團(tuán)轉(zhuǎn)給α-酮戊二酸，產(chǎn)生2分子谷氨酸（glutamic acid，Glu）。當(dāng)銨態(tài)氮同化形成Glu或Gln后， 會(huì)通過氨基酸轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)，形成其他各種氨基酸［18］，在作物抗性方面發(fā)揮相應(yīng)作用。

2 低氮對(duì)作物生長和作物產(chǎn)量的影響

一般情況下，低氮營養(yǎng)會(huì)導(dǎo)致作物生長緩慢、葉綠素合成降低，從而造成葉片變黃、植株矮小、產(chǎn)量下降［19］。研究表明，低氮環(huán)境可抑制小麥、玉米的生長，導(dǎo)致作物植株矮小、分蘗較少、產(chǎn)量下降［20-21］。由于作物在繁殖期主要以開花、結(jié)實(shí)為主要特征，而氮缺乏則會(huì)使其過早衰老、生長遲緩，出現(xiàn)莖干變薄、矮化、木質(zhì)化等現(xiàn)象，從而影響結(jié)實(shí)和生物量積累。在辣椒成熟期，如果降低氮的供應(yīng)量，會(huì)顯著降低果實(shí)中的氮含量和干物質(zhì)積累量，最終導(dǎo)致減產(chǎn)［22］。因此，氮的供給情況直接關(guān)系到作物的表型、產(chǎn)量和品質(zhì)［23］。

低氮會(huì)降低作物的光合作用和葉面積。在生育期低氮逆境下，作物葉片中的氮含量、光合酶類及類囊體中的氮含量下降，進(jìn)而影響植株的光合作用。在低氮脅迫環(huán)境下，水稻和菠菜的葉綠素含量會(huì)明顯降低，葉片的光合作用也會(huì)降低［24-25］。此外，低氮脅迫還會(huì)造成作物葉綠素PSⅡ光化學(xué)屬性的變化［26］，而作物產(chǎn)量與光能吸收率、光能利用率之間存在很大的相關(guān)性，因此光合作用減弱會(huì)造成產(chǎn)量下降［27］。由于葉中氮和葉綠素之間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，故可通過增加葉中氮含量來提高葉綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)作物的光合作用［23］?？偟膩碚f，氮素供應(yīng)不合理，會(huì)對(duì)作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

3 作物對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制

根是作物吸收養(yǎng)分和水分最重要的器官，在增強(qiáng)作物對(duì)脅迫的適應(yīng)能力方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，低氮環(huán)境會(huì)對(duì)作物根系形態(tài)造成明顯的影響，作物根系會(huì)隨著環(huán)境中氮含量的變化而進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，比如改變根系的長度、增加不定根及根毛數(shù)量等［28］。一般情況下，低氮環(huán)境會(huì)促進(jìn)根系相對(duì)生長量的增加，側(cè)根增多，直徑降低，主根伸長，以有效擴(kuò)大根系與土壤環(huán)境的接觸面積，進(jìn)而提高對(duì)氮素營養(yǎng)的吸收量。在低氮脅迫下，養(yǎng)分會(huì)優(yōu)先向根部分配，抑制地上部的生長，從而使根冠比明顯提高［29］。在不同的作物中，根部結(jié)構(gòu)對(duì)低氮脅迫的反應(yīng)是不一樣的。例如，在低氮供應(yīng)條件下，大豆的主根會(huì)顯著變短［30］，而水稻根系顯著變長［31］，玉米在低氮脅迫下，其根系長度、表面積及側(cè)根數(shù)均增加［32］。研究發(fā)現(xiàn)，在低氮脅迫下，氮高效利用型玉米自交系的平均根長、總根長、側(cè)根密度的數(shù)值都比氮低效利用型玉米自交系大［33］，這也說明根的構(gòu)型重建對(duì)作物氮素的吸收與利用起著重要作用。

氨基酸大量存在于作物葉片中，其代謝產(chǎn)生的能量用于促進(jìn)作物生長。通常認(rèn)為，作物長時(shí)間處于低氮條件下，會(huì)使體內(nèi)氨基酸的累積量減少［34-35］。某些氨基酸可以緩解非生物脅迫［36］。Schlüter等發(fā)現(xiàn)，在低氮脅迫下，玉米葉片中氨基酸同化下降，導(dǎo)致蘋果酸含量不斷降低，從而減少低氮對(duì)作物的傷害［37］。作物在低氮脅迫下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制。Li等研究發(fā)現(xiàn)，野生大豆對(duì)氮素的抗性主要表現(xiàn)在提高三羧酸循環(huán)，合成關(guān)鍵氨基酸，積累可溶性糖類、有機(jī)酸等代謝物，并形成有益的次級(jí)代謝物等方面［38］。Liu等對(duì)谷子苗期的低氮耐受性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在低氮脅迫下，耐低氮谷子品種的葉綠素含量及硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、葡萄糖脫氫酶活性等指標(biāo)都比不耐低氮品種的高［39］。Zhang等以氮高效、氮低效2種大白菜為試驗(yàn)對(duì)象，通過高通量RNA-seq技術(shù)，對(duì)它們受氮素調(diào)控后的全基因組基因表達(dá)模式進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，2種植株的葉綠素（chlorophyll，Chl）含量及凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）無明顯差異，但硝酸鹽運(yùn)輸、生長素合成及谷氨酸脫氫酶合成等關(guān)鍵基因的表達(dá)量有顯著不同［40］。其他代謝酶在低氮環(huán)境下也起著重要的作用。在氮素供應(yīng)不足時(shí)，莽草酯類代謝途徑關(guān)鍵酶和苯丙烷類化合物合成關(guān)鍵酶基因同時(shí)被激活［41］，褪黑素也被發(fā)現(xiàn)可參與調(diào)控低氮脅迫下氮素的代謝過程［42］。此外，亞硝酸鹽還原酶、葉綠體谷氨酰胺合成酶、鐵氧還蛋白依賴性谷氨酸合成酶、天冬酰胺合成酶在大麥低氮耐受功能中發(fā)揮重要作用［43］。

總之，作物能夠感受外界低氮環(huán)境，并利用自身的根系結(jié)構(gòu)等表型改變以及體內(nèi)的相關(guān)調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)低氮環(huán)境。

4 作物耐低氮基因型篩選

可通過篩選和創(chuàng)制耐低氮品種的方式，來解決農(nóng)田氮肥利用效率低下的問題，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和氮素高效利用。在低氮環(huán)境中，耐低氮基因型作物的產(chǎn)量、NUE與其他品種有明顯差異。它們的根系生長勢(shì)強(qiáng)，可以吸收盡可能多的氮素，供給地上部合成光合產(chǎn)物，再將光合產(chǎn)物分別輸送到其他組織［44-45］。構(gòu)建耐低氮評(píng)價(jià)體系，可以高效篩選不同類型的耐低氮作物。陳二影等認(rèn)為，不同谷子品種在苗期氮素利用效率上存在明顯差別，將79個(gè)基因型按2種氮素水平的干物質(zhì)利用效率分為雙高、雙低、高氮高效、低氮高效4個(gè)類型［46］。陳凌等認(rèn)為，在籽粒耐低氮能力評(píng)價(jià)體系中，通常采用穗粒質(zhì)量、青草質(zhì)量、氮素吸收速率作為評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)［47］。鐘思榮等在低氮、常規(guī)氮供給條件下，利用莖葉氮積累與地上部干質(zhì)量的相對(duì)數(shù)值，將煙草分為耐低氮基因型和氮敏感基因型［48］。Muchow研究發(fā)現(xiàn)，生物量、氮素含量、產(chǎn)量等性狀與氮素利用率之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系［49］。劉秋員等以長江中下游地區(qū)的水稻為研究對(duì)象，通過建立水稻氮素生理利用效率、氮肥回收效率、籽粒產(chǎn)量效率、氮肥農(nóng)業(yè)利用效率等指標(biāo)［50］，采用熵加權(quán)的方法，對(duì)水稻氮素利用效率進(jìn)行綜合評(píng)估，建立水稻氮素高效類型評(píng)估系統(tǒng)［51］。

在氮素高效評(píng)估系統(tǒng)中，氮素吸收率、氮素利用率等是主要指標(biāo)，可據(jù)其將作物劃分為不同的基因型，劃分好的耐低氮基因型可為氮高效育種縮短選種時(shí)間。關(guān)于氮素高效品種基因篩選的研究還較少，仍須深入研究以期為氮高效育種打好基礎(chǔ)。

5 作物耐低氮基因資源的挖掘

利用遺傳改良技術(shù)，培育低氮高效的作物新品種，已成為當(dāng)前農(nóng)作物氮素利用研究的熱點(diǎn)。實(shí)施基因工程最關(guān)鍵的是對(duì)功能基因的挖掘。

5.1 QTL定位

連鎖分析（linkage analysis），也稱為QTL（quantitative trait loci）定位，是指利用與QTLs連鎖的分子標(biāo)記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，定位目標(biāo)QTL在染色體上的位置和互作效應(yīng)［52-53］。在這些數(shù)據(jù)中，構(gòu)建連鎖圖譜是QTL定位的基礎(chǔ)，分子標(biāo)記覆蓋度和群體遺傳多樣性會(huì)對(duì)連鎖分析結(jié)果產(chǎn)生直接影響［54］。在大麥的QTL研究中，以品種Baudin、CN4079構(gòu)建的RIL群體為材料，設(shè)置不同的氮濃度進(jìn)行大田試驗(yàn)，對(duì)其表型及QTL定位，發(fā)現(xiàn)在2H、3H、5H、6H、7H染色體上控制大麥性狀的24個(gè)QTLs，其中包括14個(gè)低氮特異表達(dá)的QTLs［55］。在玉米中，利用低氮脅迫相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀的212個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)進(jìn)行Meta分析，確定21個(gè)與低氮耐受性顯著相關(guān)的共識(shí)QTLs （consensus QTL，cQTL）［56］。為了開發(fā)同時(shí)具有耐低氮性和耐干旱性的水稻，F(xiàn)eng等通過分離失真法和全基因組關(guān)聯(lián)研究，在水稻的3組性狀特異性漸進(jìn)系中鑒定了79個(gè)DT-QTLs和387個(gè)LNT-QTLs；通過試驗(yàn)分析，得到4個(gè)符合預(yù)期的株系（PL6、PL36、PL50、PL66）存在重要等位基因，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的干旱和低氮耐受性［57］，為水稻復(fù)雜的數(shù)量性狀育種提供了理論依據(jù)。在水稻氮高效QTL上也取得研究進(jìn)展，研究者在高氮和低氮條件下培養(yǎng)水稻品種F67、OM68雜交的重組自交系群體，QTL分析發(fā)現(xiàn)，2號(hào)、6號(hào)、11號(hào)染色體上存在同一個(gè)與氮高效利用率相關(guān)QTL［58］。QTL定位多應(yīng)用于作物抗逆性基因的定位，為進(jìn)一步的組學(xué)分析提供了路徑。

5.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用

伴隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，RNA-seq已經(jīng)成為轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析的主要方法［59］。轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究在深入挖掘新基因、發(fā)現(xiàn)低豐度基因、鑒定基因家族、確定代謝通路等方面，起著舉足輕重的作用，被廣泛應(yīng)用于對(duì)作物的多種生物和非生物脅迫差異表達(dá)基因研究中［60］。

張婷婷等利用氮高效馬鈴薯品種冀張薯12號(hào)和氮低效馬鈴薯品種尤佳70，通過30 d低氮處理、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和差異基因分析，發(fā)現(xiàn)在低氮條件下，冀張薯12號(hào)根和葉中GS基因上調(diào)，而尤佳70號(hào)GS、GOGAT基因卻下調(diào)，推測(cè)GS、GOGAT基因與氮高效利用有關(guān)［61］。為了探究高氮利用率的分子機(jī)制，中國科學(xué)院研究人員對(duì)比分析小麥高氮利用率品種KN9204和低氮利用率品種Jing411的基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，缺氮抑制Jing411幼穗中細(xì)胞分裂相關(guān)基因的表達(dá)，從而使其對(duì)低氮敏感［62］。郭凱杰等發(fā)現(xiàn)，在低氮條件下，含氮素利用高效QTL的玉米SSSL10.04比親本許178有更高的氮積累量，且地上部的氮利用率更高；KEGG分析結(jié)果表明，SSSL10.04在低氮條件下表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的逆境適應(yīng)調(diào)控，原因在于其根部有更多參與呼吸、抗氧化及氨基酸代謝的基因表達(dá)，而葉片則有更多參與抗氧化、作物激素合成及物質(zhì)運(yùn)輸?shù)幕虮磉_(dá)［63］。丁慶倩等以谷子品種鄭204為材料，利用高通量測(cè)序技術(shù)，篩選到1個(gè)在谷子根系和葉片中顯著高表達(dá)的MYB家族轉(zhuǎn)錄因子 ?SiMYB42 ?，該基因存在于細(xì)胞膜和細(xì)胞核中，可能通過調(diào)節(jié)NRT2.1、NRT2.4、NRT2.5等硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，從而調(diào)控氮代謝過程，提高谷子對(duì)低氮脅迫的耐性［64］。在纖維作物棉花的研究中，薄義博以氮高效、低效2種類型的陸地棉為材料，通過7、14、21 d的低氮處理和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)顯著差異的基因有433個(gè)；KEGG結(jié)果顯示，2種陸地棉中差異基因主要集中在谷氨酸代謝、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、類胡蘿卜素生物合成等途徑，在低氮脅迫下，GAD基因的表達(dá)在陸地棉中上調(diào)，在海島棉中卻下調(diào)，于是推測(cè)GAD基因的表達(dá)可能是導(dǎo)致2種棉花在低氮脅迫下存在差異的原因［65］。

5.3 全基因關(guān)聯(lián)分析

全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）是一種對(duì)全基因組的遺傳學(xué)研究，用來在自然群體中發(fā)現(xiàn)與性狀相關(guān)的變化，是一種分析復(fù)雜性狀解析的強(qiáng)大工具，已經(jīng)被充分應(yīng)用于水稻等作物中［66］。錢前院士團(tuán)隊(duì)以230份水稻為研究對(duì)象，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及基因組測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，篩選到3個(gè)與氮高效相關(guān)的候選基因 ?OsNIGT1、LOC-Os05g45020、LOC-Os06g43090 ?［67］。此外，全基因關(guān)聯(lián)分析在蕓薹屬作物中的研究也較多。在對(duì)304份不同甘藍(lán)型油菜種質(zhì)進(jìn)行的SNP 基因分型和全基因組關(guān)聯(lián)分析中，發(fā)現(xiàn)11個(gè)單核苷酸的多態(tài)性與3個(gè)低氮耐受性狀相關(guān)，并在這些SNPs附近發(fā)現(xiàn)3個(gè)重要基因（ ?GLN1.3、 NRT1.1、NRT1.6 ?）［68］。在作物根系的研究中，Wang等通過GWAS和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)玉米根系的耐低氮基因；該試驗(yàn)選用213份玉米自交系，在低氮和正常氮條件下培養(yǎng)，測(cè)定玉米的22個(gè)根系性狀的自然變異，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和全基因組關(guān)聯(lián)分析，篩選出候選基因 ?ZmNAC36 ?，并對(duì)其進(jìn)行重測(cè)序驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該基因在根系耐低氮方面發(fā)揮重要作用［69］。對(duì)304份油菜苗期進(jìn)行高氮和低氮處理，采用60kSNP對(duì)304 份油菜進(jìn)行基因分型，發(fā)現(xiàn)3個(gè)候選基因（ ?BnaA04g07450、BnaA07g09690、BnaA09g47380 ?） 與耐低氮性狀相關(guān)，推測(cè)這3個(gè)候選基因與耐低氮有關(guān)［68］。以上研究為低氮耐受性的遺傳調(diào)控提供了有價(jià)值的信息，可用于作物低氮耐受性的標(biāo)記育種研究。

6 氮高效基因研究進(jìn)展

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，現(xiàn)代育種學(xué)者利用基因組學(xué)技術(shù)在作物中挖掘到多種與氮利用效率相關(guān)的基因，為氮高效育種提供更多可能。近年來，水稻全基因組序列逐漸完善，氮高效基因的全基因組關(guān)聯(lián)分析成為水稻研究的熱點(diǎn)。Wang等發(fā)現(xiàn)，水稻抽穗期7（heading date7， ?Ghd7 ?）基因能夠與NUE負(fù)調(diào)控因子ABC1 ressor1 （ ?ARE1 ?） 結(jié)合，抑制 ?ARE1 ?基因的表達(dá)，從而提高水稻的氮肥利用效率［70-71］。研究人員還發(fā)現(xiàn)，基因 ?OsNRT1.1A ?在 水稻中的過表達(dá)大大提高氮素利用率［72］。關(guān)于水稻氮高效基因的研究進(jìn)展還有很多，比如 ?OsNPF7.3、 OsNPF7.7 ?基因的高表達(dá)可以提高水稻的氮素利用率［73-74］。日本研究人員對(duì)119份水稻進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，在低氮條件下，鑒定出4個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子 ?OsHHO3、OsHHO4、OsRLI1、OsbZIP11， ?是氮缺乏反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控因子，它們可能起到抑制轉(zhuǎn)錄因子的作用，從而提高水稻對(duì)氮素的利用率［75］。除了水稻，其他作物氮高效基因研究也在同時(shí)進(jìn)行。范文靜通過對(duì)129份甘薯品種進(jìn)行低氮和高氮處理，分析甘薯的11種農(nóng)藝形狀并進(jìn)行QTL定位和全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)與氮高效利用相關(guān)的6個(gè)候選基因 ?itfo1go8120.t1、itf01g22030.t1、itf01g22080.t2、itf01g22100.t2、itf01g22400.t1、itf01g25900.t1 ?［76］。Gao等對(duì)氮高效甘蔗品種ROC22進(jìn)行低氮處理，收集低氮處理后甘蔗根的miRNA數(shù)據(jù)庫，通過GO、KEGG分析，發(fā)現(xiàn)低氮處理下 ?miR156 ?的過表達(dá)顯著高于野生型，關(guān)鍵基因 ?NRT1.1、NR1、NIR1、GS的表達(dá)量也高于野生型，推測(cè)關(guān)鍵基因NRT1.1、NR1、NIR1、GS ?可能與氮高效利用有關(guān)［77］。在小麥的氮高效研究中，通過定點(diǎn)編輯基因 ?TaARE1 ?來提高小麥對(duì)土壤氮素的吸收［78］。作物氮高效的研究目前已取得顯著進(jìn)展，但仍須繼續(xù)探索，以期為氮高效分子育種提供更多的候選基因位點(diǎn)，創(chuàng)制優(yōu)異新品種。

7 展望

培育具有高氮素利用率和耐低氮的作物品種，是降低生產(chǎn)成本、降低碳排放量、緩解因過度施用氮素而帶來的生態(tài)問題的重要途徑。作物對(duì)氮的吸收與利用是一個(gè)復(fù)雜的過程。目前，對(duì)低氮環(huán)境下作物的氮高效利用和脅迫耐受的多分子協(xié)同調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入。未來的研究重點(diǎn)可以從以下3個(gè)方面展開：（1） 作物耐低氮和氮高效利用的分子機(jī)制和關(guān)鍵基因挖掘；（2） 通過基因編輯技術(shù)改良作物的低氮耐受能力，提高氮利用效率；（3） 低氮耐受和氮高效利用品種的開發(fā)與精確的田間管理和栽培技術(shù)相結(jié)合，最大限度地開發(fā)新品種的生物潛力。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Wani S H，Vijayan R，Choudhary M，et al. Nitrogen use efficiency （NUE）：elucidated mechanisms，mapped genes and gene networks in maize （Zea mays L.）［J］. Physiology and Molecular Biology of Plants，2021，27（12）：2875-2891.

［2］Li G，Zhang Z S，Gao H Y，et al. Effects of nitrogen on photosynthetic characteristics of leaves from two different stay-green corn （Zea mays L.） varieties at the grain-filling stage［J］. Canadian Journal of Plant Science，2012，92（4）：671-680.

［3］Qin S J，Zhang Z Z，Ning T Y，et al. Abscisic acid and aldehyde oxidase activity in maize ear leaf and grain relative to post-flowering photosynthetic capacity and grain-filling rate under different water/nitrogen treatments［J］. Plant Physiology and Biochemistry，2013，70：69-80.

［4］Gutiérrez R A.Systems biology for enhanced plant nitrogen nutrition［J］. Science，2012，336（6089）：1673-1675.

［5］Latshaw S P，Vigil M F，Haley S D. Genotypic differences for nitrogen use efficiency and grain protein deviation in hard winter wheat［J］. Agronomy Journal，2016，108（6）：2201-2213.

［6］Lea P J，Miflin B J.Glutamate synthase and the synthesis of glutamate in plants［J］. Plant Physiology and Biochemistry，2003，41（6/7）：555-564.

［7］王文博. 黃瓜耐低氮種質(zhì)篩選及其低氮耐受性指標(biāo)評(píng)價(jià)［D］. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022：1-3.

［8］Rizwan M，Mostofa M G，Ahmad M Z，et al. Hydrogen sulfide enhances rice tolerance to nickel through the prevention of chloroplast damage and the improvement of nitrogen metabolism under excessive nickel［J］. Plant Physiology and Biochemistry，2019，138：100-111.

［9］Trevor G，Vanessa C，Darren P，et al. The response of the maize nitrate transport system to nitrogen demand and supply across the lifecycle［J］. The New Phytologist，2013，198（1）：82-94.

［10］ Fan X H，Tang C，Rengel Z. Nitrate uptake，nitrate reductase distribution and their relation to proton release in five nodulated grain legumes［J］. Annals of Botany，2002，90（3）：315-323.

［11］Sohlenkamp C，Shelden M，Howitt S，et al. Characterization of Arabidopsis ??AtAMT2 ?，a novel ammonium transporter in plants［J］. FEBS Letters，2000，467（2/3）：273-278.

［12］Suenaga A，Moriya K，Sonoda Y，et al. Constitutive expression of a novel-type ammonium transporter ??OsAMT2 ??in rice plants［J］. Plant and Cell Physiology，2003，44（2）：206-211.

［13］Glass A D M，Britto D T，Kaiser B N，et al. The regulation of nitrate and ammonium transport systems in plants［J］. Journal of Experimental Botany，2002，53（370）：855-864.

［14］董芙榮. 不同氮效率基因型水稻氮代謝關(guān)鍵酶活性及其基因表達(dá)特征分析［D］. 揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2010.

［15］Li T Y，Liao K，Xu X F，et al. Wheat ammonium transporter （AMT） gene family：diversity and possible role in host-pathogen interaction with stem rust［J］. Frontiers in Plant Science，2017，8：1637.

［16］Weber A，F(xiàn)lügge U I. Interaction of cytosolic and plastidic nitrogen metabolism in plants［J］. Journal of Experimental Botany，2002，53（370）：865-874.

［17］Martínez-Andújar C，Ghanem M E，Albacete A，et al. Response to nitrate/ammonium nutrition of tomato （Solanum lycopersicum L.） plants overexpressing a prokaryotic NH+4-dependent asparagine synthetase［J］. Journal of Plant Physiology，2013，170（7）：676-687.

［18］Zhang Q F. Strategies for developing green super rice［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104（42）：16402-16409.

［19］Nehe A S，Misra S，Murchie E H，et al. Genetic variation in N-use efficiency and associated traits in Indian wheat cultivars［J］. Field Crops Research，2018，225：152-162.

［20］Makino A，Nakano H，Mae T，et al. Photosynthesis，plant growth and N allocation in transgenic rice plants with decreased rubisco under CO2 enrichment［J］. Journal of Experimental Botany，2000，51（S1）：383-389.

［21］Ding L，Wang K J，Jiang G M，et al. Effects of nitrogen deficiency on photosynthetic traits of maize hybrids released in different years［J］. Annals of Botany，2005，96（5）：925-930.

［22］王春萍，張世才，黃任中，等. 低氮脅迫對(duì)無土栽培辣椒形態(tài)、物質(zhì)積累及氮吸收利用效率的影響［J］. 辣椒雜志，2018，16（1）：22-28.

［23］何志學(xué). 氮素水平對(duì)辣椒生長生理和養(yǎng)分利用的影響［D］. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016：50-60.

［24］Tantray A Y，Bashir S S，Ahmad A. Low nitrogen stress regulates chlorophyll fluorescence in coordination with photosynthesis and Rubisco efficiency of rice［J］. Physiology and Molecular Biology of Plants，2020，26（1）：83-94.

［25］Noguchi K，Terashima I. Responses of spinach leaf mitochondria to low N availability［J］. Plant，Cell & Environment，2006，29（4）：710-9.

［26］ Terao T，Katoh S. Antenna sizes of photosystem Ⅰ and photosystem Ⅱ ?in chlorophyll b-deficient mutants of rice.evidence for an antenna function of photosystem Ⅱ centers that are inactive in electron transport［J］. Plant and Cell Physiology，1996，37（3）：307-312.

［27］Long S P，Marshall-Colon A，Zhu X G. Meeting the global food demand of the future by engineering crop photosynthesis and yield potential［J］. Cell，2015，161（1）：56-66.

［28］Jia Z T，Giehl R F H，von Wirén N. The root foraging response under low nitrogen depends on ??DWARF1 ?-mediated brassinosteroid biosynthesis［J］. Plant Physiology，2020，183（3）：998-1010.

［29］Li D D，Tian M Y，Cai J，et al. Effects of low nitrogen supply on relationships between photosynthesis and nitrogen status at different leaf position in wheat seedlings［J］. Plant Growth Regulation，2013，70（3）：257-263.

［30］Zhao M L，Guo R，Li M X，et al. Physiological characteristics and metabolomics reveal the tolerance mechanism to low nitrogen in Glycine soja leaves［J］. Physiologia Plantarum，2020，168（4）：819-834.

［31］Liang T，Yuan Z Q，F(xiàn)u L，et al. Integrative transcriptomic and proteomic analysis reveals an alternative molecular network of glutamine synthetase 2 corresponding to nitrogen deficiency in rice （Oryza sativa L.）［J］. International Journal of Molecular Sciences，2021，22（14）：7674.

［32］Sun X C，Chen F J，Yuan L X，et al. The physiological mechanism underlying root elongation in response to nitrogen deficiency in crop plants［J］. Planta，2020，251（4）：84.

［33］王 艷，米國華，陳范駿，等. 玉米氮素吸收的基因型差異及其與根系形態(tài)的相關(guān)性［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（2）：297-302.

［34］Amiour N，Imbaud S，Clément G，et al. The use of metabolomics integrated with transcriptomic and proteomic studies for identifying key steps involved in the control of nitrogen metabolism in crops such as maize［J］. Journal of Experimental Botany，2012，63（14）：5017-5033.

［35］Krapp A，Berthomé R，Orsel M，et al. Arabidopsis roots and shoots show distinct temporal adaptation patterns toward nitrogen starvation［J］. Plant Physiology，2011，157（3）：1255-1282.

［36］Sharma S S，Dietz K J. The significance of amino acids and amino acid-derived molecules in plant responses and adaptation to heavy metal stress［J］. Journal of Experimental Botany，2006，57（4）：711-726.

［37］Schlüter U，Mascher M，Colmsee C，et al. Maize source leaf adaptation to nitrogen deficiency affects not only nitrogen and carbon metabolism but also control of phosphate homeostasis［J］. Plant Physiology，2012，160（3）：1384-1406.

［38］Li M X，Xu J S，Wang X X，et al. Photosynthetic characteristics and metabolic analyses of two soybean genotypes revealed adaptive strategies to low-nitrogen stress［J］. Journal of Plant Physiology，2018，229：132-141.

［39］Liu C J，Gong X W，Wang H L，et al. Low-nitrogen tolerance comprehensive evaluation and physiological response to nitrogen stress in broomcorn millet （Panicum miliaceum L.） seedling［J］. Plant Physiology and Biochemistry，2020，151：233-242.

［40］Zhang Y H，Li J J，Zhou D D，et al. Nitrogen uptake and distribution in different Chinese cabbage genotypes under low nitrogen stress［J］. International Journal of Molecular Sciences，2022，23（3）：1573.

［41］Scheible W R，Morcuende R，Czechowski T，et al. Genome-wide reprogramming of primary and secondary metabolism，protein synthesis，cellular growth processes，and the regulatory infrastructure of Arabidopsis in response to nitrogen［J］. Plant Physiology，2004，136（1）：2483-2499.

［42］Arnao M B，Hernández-Ruiz J，Cano A. Role of melatonin and nitrogen metabolism in plants：implications under nitrogen-excess or nitrogen-low［J］. International Journal of Molecular Sciences，2022，23（23）：15217.

［43］Chen Z W，Liu C H，Wang Y F，et al. Expression analysis of nitrogen metabolism-related genes reveals differences in adaptation to low-nitrogen stress between two different barley cultivars at seedling stage［J］. International Journal of Genomics，2018，2018：8152860.

［44］Urban A，Rogowski P，Wasilewska-Dbowska W，et al. Understanding maize response to nitrogen limitation in different light conditions for the improvement of photosynthesis［J］. Plants，2021，10（9）：1932.

［45］李 強(qiáng)，羅延宏，龍文靖，等. 低氮脅迫對(duì)不同耐低氮性玉米品種苗期生長和生理特性的影響［J］. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23（4）：204-212.

［46］陳二影，楊延兵，秦 嶺，等. 谷子苗期氮高效品種篩選及相關(guān)特性分析［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，49（17）：3287-3297.

［47］陳 凌，王君杰，王海崗，等. 耐低氮糜子品種的篩選及農(nóng)藝性狀的綜合評(píng)價(jià)［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，53（16）：3214-3225.

［48］鐘思榮，陳仁霄，陶 瑤，等. 耐低氮煙草基因型的篩選及其氮效率類型［J］. 作物學(xué)報(bào)，2017，43（7）：993-1002.

［49］Muchow R C. Effect of nitrogen supply on the comparative productivity of maize and sorghum in a semi-arid tropical environment Ⅲ. Grain yield and nitrogen accumulation［J］. Field Crops Research，1988，18（1）：31-43.

［50］劉秋員，周 磊，田晉鈺，等. 長江中下游地區(qū)常規(guī)中熟粳稻氮效率綜合評(píng)價(jià)及高產(chǎn)氮高效品種篩選［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，54（7）：1397-1409.

［51］張婷婷，孟麗麗，陳有君，等. 不同馬鈴薯品種的氮效率差異研究［J］. 中國土壤與肥料，2021（1）：63-69.

［52］Teotónio H，Matos M，Rose M R.Quantitative genetics of functional characters in Drosophila melanogaster populations subjected to laboratory selection［J］. Journal of Genetics，2004，83（3）：265-277.

［53］Wang J K. Inclusive composite interval mapping of quantitative trait genes［J］. Acta Agronomica Sinica，2009，35（2）：239-245.

［54］He J B，Gai J Y.QTL-allele matrix detected from RTM-GWAS is a powerful tool for studies in genetics，evolution，and breeding by design of crops［J］. Journal of Integrative Agriculture，2020，19（5）：1407-1410.

［55］侯 瑤. 大麥耐低氮脅迫相關(guān)性狀QTL位點(diǎn)聚合效應(yīng)分析［D］. 雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

［56］Luo B W，Tang H T，Liu H L，et al. Mining for low-nitrogen tolerance genes by integrating meta-analysis and large-scale gene expression data from maize［J］. Euphytica，2015，206（1）：117-131.

［57］Feng B，Chen K，Cui Y R，et al. Genetic dissection and simultaneous improvement of drought and low nitrogen tolerances by designed QTL pyramiding in rice［J］. Frontiers in Plant Science，2018，9：306.

［58］Bai J J，Piao Z Z，Wan C Z，et al. SLAF-based linkage map construction and QTL mapping of nitrogen use efficiency in rice （Oryza sativa L.）［J］. Plant Molecular Biology Reporter，2021，39（4）：727-738.

［59］黃小花，許 鋒，程 華，等. 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序在高等植物中的研究進(jìn)展［J］. 黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，34（6）：28-35.

［60］王鵬飛. 歐李果實(shí)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及蘋果酸積累關(guān)鍵酶基因的克隆與表達(dá)分析［D］. 太谷：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

［61］張婷婷，孟麗麗，劉曉蕊，等. 馬鈴薯氮代謝對(duì)低氮脅迫的響應(yīng)及轉(zhuǎn)錄組分析［J］. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，50（8）：15-26.

［62］Shi X L，Cui F，Han X Y，et al. Comparative genomic and ?transcriptomic analyses uncover the molecular basis of high nitrogen- use efficiency in the wheat cultivar Kenong 9204［J］. Molecular Plant，2022，15（9）：1440-1456.

［63］郭凱杰. 低氮脅迫下玉米氮高效利用單片段代換系的轉(zhuǎn)錄組分析［D］. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

［64］丁慶倩，王小婷，胡利琴，等. 谷子MYB類轉(zhuǎn)錄因子SiMYB42提高轉(zhuǎn)基因擬南芥低氮脅迫耐性［J］. 遺傳，2018，40（4）：327-338.

［65］薄義博. γ-氨基丁酸（GABA）在棉花低氮脅迫響應(yīng)中的功能研究［D］. 重慶：西南大學(xué)，2018：20-78.

［66］Yuan J，Wang X Q，Zhao Y，et al. Genetic basis and identification of candidate genes for salt tolerance in rice by GWAS［J］. Scientific Reports，2020，10（1）：9958.

［67］Li Q，Lu X L，Wang C J，et al. Genome-wide association study and transcriptome analysis reveal new QTL and candidate genes for nitrogen-deficiency tolerance in rice［J］. The Crop Journal，2022，10（4）：942-951.

［68］Zeng C，Wan H，Wu X，et al. Genome-wide association study of low nitrogen tolerance traits at the seedling stage of rapeseed［J］. Biologia Plant，2021，65：10-18.

［69］Wang Y Y，Zhu T Z，Yang J Y，et al. GWAS and transcriptome analysis reveal key genes affecting root growth under low nitrogen supply in maize［J］. Genes，2022，13（9）：1632.

［70］Wang Q，Su Q M，Nian J Q，et al. The Ghd7 transcription factor represses ??ARE1 ??expression to enhance nitrogen utilization and grain yield in rice［J］. Molecular Plant，2021，14（6）：1012-1023.

［71］Wang Q，Nian J Q，Xie X Z，et al. Genetic variations in ARE1 mediate grain yield by modulating nitrogen utilization in rice［J］. Nature Communications，2018，9：735.

［72］Wang W，Hu B，Yuan D Y，et al. Expression of the nitrate transporter gene ??OsNRT1.1A/OsNPF6.3 ??confers high yield and early maturation in rice［J］. The Plant Cell，2018，30（3）：638-651.

［73］Fang Z M，Bai G X，Huang W T，et al. The rice peptide transporter ??OsNPF7.3 ??is induced by organic nitrogen，and contributes to nitrogen allocation and grain yield［J］. Frontiers in Plant Science，2017，8：1338.

［74］Huang W T，Bai G X，Wang J，et al. Two splicing variants of ??OsNPF7.7 ??regulate shoot branching and nitrogen utilization efficiency in rice［J］. Frontiers in Plant Science，2018，9：300.

［75］Ueda Y，Ohtsuki N，Kadota K，et al. Gene regulatory network and its constituent transcription factors that control nitrogen-deficiency responses in rice［J］. New Phytologist，2020，227（5）：1434-1452.

［76］范文靜.苗期甘薯耐低氮基因型篩選及氮高效候選基因關(guān)聯(lián)分析［D］. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022：8-58.

［77］Gao S W，Yang Y Y，Yang Y T，et al. Identification of low-nitrogen-related miRNAs and their target genes in sugarcane and the role of ??miR156 ??in nitrogen assimilation［J］. International Journal of Molecular Sciences，2022，23（21）：13187.

［78］Guo M，Wang Q，Zong Y，et al. Genetic manipulations of TaARE1 boost nitrogen utilization and grain yield in wheat［J］. Journal of Genetics and Genomics，2021，48（10）：950-953.

收 稿日期：2023-03-29

基金項(xiàng)目：國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（編號(hào)：CARS-170102）；黑龍江省自然科學(xué)基金（編號(hào)：LH2023C090）；甜菜種質(zhì)資源安全保存項(xiàng)目（編號(hào)：19230841）；甜菜種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定項(xiàng)目（編號(hào)：19230709）；普查甜菜資源繁種編目入庫項(xiàng)目（編號(hào)：19230801）；黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃（編號(hào)：UNPYSCT-2020014）。

作者簡介：符晶晶（1999—），女，貴州銅仁人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)藝與種業(yè)。E-mail：1579776359@qq.com。

通信作者：劉大麗，博士，副研究員，研究方向?yàn)樽魑锓肿由飳W(xué)。E-mail：daliliu_hlju@163.com。