摘要
氮(N，nitrogen)是植物的大量必需元素，对植物营养生长和逆境响应至关重要。高等陆生植物从外界吸收的主要无机N源为硝酸盐，经过同化产生的酶、转运蛋白及氮衍生物等，能维持体内其他营养元素(如Fe、C)的动态平衡以确保生命体的正常运转。加强这些必要元素间(N/Fe和N/C)的互作研究可以有效提高氮素利用效率从而提高作物产量。 本实验室前期研究发现硝酸盐转运蛋白NPF7.2/NPF7.3受逆境因子影响，通过乙烯/茉莉酸通路调控负向协同表达以促进NO3-再分配至根部从而提高逆境抗性，我们将这种机制称为SINAR(Stress-initiated nitrate allocation to roots)。本研究在寻找更多SINAR关键调控因子的过程中，发现其中的NPF5.9候选基因不仅参与硝酸根转运，也参与植物体内的铁平衡调控。NPF5.9主要在维管组织表达，电生理分析证实NPF5.9蛋白具有硝酸盐转运活性，但是其突变体并未出现明显的N相关可见表型。令人惊喜的是，NPF5.9受缺铁强烈诱导表达上调，过表达株系出现明显的缺铁性新叶脉间失绿症状。离子分析表明NPF5.9过表达可显著增强Fe的长距离运输以及往地上部的分配。结合表达定位模式和突变体的表型分析，表明拟南芥NPF5.9及其同源蛋白NPF5.8在铁转运和再分配过程中存在冗余调控。进一步研究发现，npf5.8 npf5.9双突变生长受阻，植株地上部的Fe积累下降，而补充Fe可以部分恢复这一表型。转录水平分析结果表明，双突变体中Fe稳态负调控因子PYE及其下游靶点NAS4的表达发生了显著改变。此外，双突变体的硝酸盐转运受阻，但硝酸盐和Fe的施用对植物的作用互不干扰。因此，这些实验结果表明NPF5.9和NPF5.8在Fe长距离转运和稳态调控中起着重要的作用，它们同时介导拟南芥硝酸盐转运和Fe稳态调控，但这两个过程可能相互独立。 此外，氮素的高效利用和光合碳固定也具有密不可分的关系。提高N供应可以增加光合作用，但是过量氮肥的使用造成严重的环境污染。因此，碳氮代谢的耦联调控对于实现作物高产具有重要的意义，但是目前碳氮代谢的互作调控网络还很不清楚，需要更多的研究进行解析。 我们从正向遗传学的角度直接筛选水稻中N与C互作的关键因子。水稻作为单子叶模式作物，因为没有拟南芥表现出的蔗糖诱导花青素积累的症状，没有明确的生长指标来表征水稻对高碳低氮响应的敏感性。鉴于此，我们尝试从离子角度分析了2000 ppm高浓度CO2 (eCO2)对水稻幼苗的影响，发现随着eCO2处理时间的加长，大部分离子水平下降，这不排除蒸腾拉力减弱的可能性。尤其在低氮条件下，植物根和茎均出现离子降低的现象，说明eCO2确实影响了植物的离子吸收。此外，我们建立了一套水稻培养体系，在特定C/N比的高碳低氮(Cn)培养基中筛选极端品种，利用核心种质资源库或突变体库进行定位，寻找植物碳氮偶联的关键调控因子，以此研究感知碳氮不平衡并调控碳氮互作的分子机理。
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