· 文 章 摘 要 ·

根系是植物吸收氮素的關鍵器官，主根、側根、根毛等的數量和長度特征構成了不同植物、不同品種所特有的根系構型 (root system architecture，RSA)。對作物而言，能夠靈敏感知根際氮素環境并及時做出適當調整的RSA是其氮素高效利用及高產的基礎。因此，解析氮素影響RSA的遺傳基礎對作物氮素高效改良具有重要意義。本文總結了植物對局部氮信號及系統氮信號感知及傳導的通路，系統歸納了擬南芥及主要作物中氮素調控RSA遺傳基礎的研究進展，為了更加系統精細的解析其遺傳基礎，需要利用無損的方式獲得根系表型，利用單細胞技術對特定細胞類型中的基因功能進行解析，并深入探究表型、基因型和管理措施間的相互作用。

· 文 章 亮 點 ·

1. 植物根系構型可以響應環境中的氮素并做出調整。2. 氮和激素間存在復雜的調控，協同完成調控根系的發育。3. 單細胞等新興技術的利用將有助于推動根系構型遺傳基礎的解析。

· Graphical abstract ·

· 研 究 內 容 ·

▎引言

氮素是植物生長所需的大量元素，農業生產上氮肥的使用是保障作物產量和全球糧食安全的基礎。氮素在土壤中的分布往往是不均勻的，為了適應這種土壤環境，植物進化出一系列策略以保證自身的生長。例如，植物中硝酸鹽轉運蛋白可分為低親和和高親和兩種類型，分別在硝酸鹽濃度較高或較低時行使功能。此外，作為吸收營養的主要器官，根系在不同氮條件下的可塑性是植物應對不同氮環境的一種重要方式，這可稱為氮依賴的根系構型 (root system architecture, RSA)。本文總結了不同氮條件下植物感知氮信號并調控根系構型的遺傳基礎，并展望了今后研究中值得關注的方向。

▎氮依賴的植物根系構型

土壤中氮素的種類、含量、分布以及植物體內氮狀態均會影響根系構型。一般而言，銨鹽會促進根系分枝，抑制根系伸長，硝酸鹽則會促進根系伸長。與氮素充足的情況相比，極度缺氮會抑制根系生長，適度缺氮則會促進根系生長以提高氮素吸收能力。

▎植物中的氮信號通路植物中的局部硝酸鹽信號主要由定位于細胞膜上的受體蛋白NRT1.1感知，通過促進NLP類轉錄因子進入細胞核，激活硝酸鹽響應基因表達。不同植物中NRT1.1影響NLP入核的機制有所不同。擬南芥中AtNRT1.1通過促進NLP7磷酸化，促進其入核，水稻中OsNRT1.1B通過招募NBIP1泛素化降解SPX4，從而使被SPX4滯留在細胞質中的NLP3進入細胞核。 細胞分裂素、小肽在根和地上部分間的轉運是氮信號長距離運輸的重要方式。在根中NLP7激活的硝酸鹽信號可以促進細胞分裂素的產生，細胞分裂素轉運至地上部分后通過影響生長素轉運蛋白的表達，調控生長素的分布，進而促進植物生長。地上部分細胞分裂素的響應過程同樣會產生信號物質，轉運至根部，調控根系發育。缺氮條件下，中柱鞘中CLE3表達量升高，并進入韌皮部伴胞與CLV1發生相互作用，將缺氮信號傳遞至下游組分，抑制側根生長。此外，氮饑餓條件下的根部會有CEP產生，轉運至地上部分后被受體CEPR1和CEPR2識別，誘導產生CEP DOWNSTREAM 1/2，經韌皮部轉運至根部后，可以激活位于土壤含氮量豐富部位的根中NRT2.1的表達。此外，地上部分氮素含量低于一定閾值時，CEPD-like 2會被激活并轉運到根中促進氮素吸收。▎氮素調控根系構型的遺傳基礎1. 氮素依賴的主根生長

銨鹽會使主根伸長區生長素轉變為非活性形式，從而抑制主根伸長。WRKY46可以直接抑制生長素失活相關基因的表達，緩解銨鹽對根長的抑制作用。

硝酸鹽對主根伸長的促進作用是

· 文 章 摘 要 ·

根系是植物吸收氮素的關鍵器官，主根、側根、根毛等的數量和長度特征構成了不同植物、不同品種所特有的根系構型 (root system architecture，RSA)。對作物而言，能夠靈敏感知根際氮素環境并及時做出適當調整的RSA是其氮素高效利用及高產的基礎。因此，解析氮素影響RSA的遺傳基礎對作物氮素高效改良具有重要意義。本文總結了植物對局部氮信號及系統氮信號感知及傳導的通路，系統歸納了擬南芥及主要作物中氮素調控RSA遺傳基礎的研究進展，為了更加系統精細的解析其遺傳基礎，需要利用無損的方式獲得根系表型，利用單細胞技術對特定細胞類型中的基因功能進行解析，并深入探究表型、基因型和管理措施間的相互作用。

· 文 章 亮 點 ·

1. 植物根系構型可以響應環境中的氮素并做出調整。2. 氮和激素間存在復雜的調控，協同完成調控根系的發育。3. 單細胞等新興技術的利用將有助于推動根系構型遺傳基礎的解析。

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▎引言

氮素是植物生長所需的大量元素，農業生產上氮肥的使用是保障作物產量和全球糧食安全的基礎。氮素在土壤中的分布往往是不均勻的，為了適應這種土壤環境，植物進化出一系列策略以保證自身的生長。例如，植物中硝酸鹽轉運蛋白可分為低親和和高親和兩種類型，分別在硝酸鹽濃度較高或較低時行使功能。此外，作為吸收營養的主要器官，根系在不同氮條件下的可塑性是植物應對不同氮環境的一種重要方式，這可稱為氮依賴的根系構型 (root system architecture, RSA)。本文總結了不同氮條件下植物感知氮信號并調控根系構型的遺傳基礎，并展望了今后研究中值得關注的方向。

▎氮依賴的植物根系構型

土壤中氮素的種類、含量、分布以及植物體內氮狀態均會影響根系構型。一般而言，銨鹽會促進根系分枝，抑制根系伸長，硝酸鹽則會促進根系伸長。與氮素充足的情況相比，極度缺氮會抑制根系生長，適度缺氮則會促進根系生長以提高氮素吸收能力。

▎植物中的氮信號通路植物中的局部硝酸鹽信號主要由定位于細胞膜上的受體蛋白NRT1.1感知，通過促進NLP類轉錄因子進入細胞核，激活硝酸鹽響應基因表達。不同植物中NRT1.1影響NLP入核的機制有所不同。擬南芥中AtNRT1.1通過促進NLP7磷酸化，促進其入核，水稻中OsNRT1.1B通過招募NBIP1泛素化降解SPX4，從而使被SPX4滯留在細胞質中的NLP3進入細胞核。 細胞分裂素、小肽在根和地上部分間的轉運是氮信號長距離運輸的重要方式。在根中NLP7激活的硝酸鹽信號可以促進細胞分裂素的產生，細胞分裂素轉運至地上部分后通過影響生長素轉運蛋白的表達，調控生長素的分布，進而促進植物生長。地上部分細胞分裂素的響應過程同樣會產生信號物質，轉運至根部，調控根系發育。缺氮條件下，中柱鞘中CLE3表達量升高，并進入韌皮部伴胞與CLV1發生相互作用，將缺氮信號傳遞至下游組分，抑制側根生長。此外，氮饑餓條件下的根部會有CEP產生，轉運至地上部分后被受體CEPR1和CEPR2識別，誘導產生CEP DOWNSTREAM 1/2，經韌皮部轉運至根部后，可以激活位于土壤含氮量豐富部位的根中NRT2.1的表達。此外，地上部分氮素含量低于一定閾值時，CEPD-like 2會被激活并轉運到根中促進氮素吸收。▎氮素調控根系構型的遺傳基礎1. 氮素依賴的主根生長

銨鹽會使主根伸長區生長素轉變為非活性形式，從而抑制主根伸長。WRKY46可以直接抑制生長素失活相關基因的表達，緩解銨鹽對根長的抑制作用。

硝酸鹽對主根伸長的促進作用是通過調控根中的生長素、脫落酸 (ABA) 和油菜素內酯 (BR) 實現的。硝酸鹽可以促進生長素轉運蛋白PIN2去磷酸化和其極性定位，影響生長素的分布，此外，microRNA393和生長素受體蛋白AFB3協同調控硝酸鹽依賴的主根生長。硝酸鹽可以激活BG1基因的表達，提高根中活性ABA含量，促進主根生長。輕度氮缺乏時，油菜素內酯受體基因BRI1-ASSOCIATED RECPTOR KINASE 1和合成基因DWARF1表達量升高，促進根系生長。BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE3是調控低氮條件下根系生長的關鍵因子，此外，CALMODULIN-LIKE-8可以與PEP1 RECEPTOR 2發生相互作用，通過整合BR信號和硝酸鹽信號調控低氮條件下的根系發育。

2. 氮素依賴的側根生長銨鹽會抑制側根伸長但促進側根分枝。銨鹽的吸收伴隨著質子外排，造成質外體酸化，使得生長素質子化，進而被生長素轉運蛋白AUX1和LAX3轉運至側根原基外側的表皮細胞，通過激活細胞壁重塑相關基因表達，使細胞壁松弛，減少側根外伸的機械阻力。無氮或低硝條件下，NRT1.1會將生長素轉運出側根原基及新生側根根尖，并抑制生長素合成基因TAR2及生長素內流基因LAX3表達，造成局部生長素含量降低，抑制側根生長。此外，NRT1.1可以和受體激酶QSK1、質子泵AHA2在細胞膜上形成復合體，使得AHA2活性降低，抑制質子外排，降低了質外體酸化對根生長的促進作用。輕度氮缺乏時，NRT1.1的生長素轉運活性受到抑制，生長素合成基因TAR2、YUC8和TAA1表達受到誘導，均使得生長素在側根積累。OBP4-XTH9是生長素響應因子ARF7、ARF19下游的響應模塊，XTH9激活側根生長，OBP4可以直接抑制XTH9基因的表達。3. 氮素依賴的根毛生長細胞質中銨離子含量與根毛生長密切相關，一個液泡膜定位的蛋白激酶對于維持這個過程起到重要作用。低氮條件下，TAA1和YUC8表達的激活使得根尖生長素含量得到提升，生長素轉運蛋白AUX1和PIN2將生長素轉運至根毛分化區域，進而通過生長素響應因子ARF6和ARF8激活RHD6和LRL3的表達，從而促進根毛生長。4. 作物中氮素調控根系構型的基因水稻中NAR2.1和NIT1、NIT2的互作增加了生長素的合成，促進了根系生長。RNR10通過維護DULL NITROGEN RESPONSE1蛋白穩定性抑制生長素合成，RNR10突變后會增強根系的氮響應。玉米中ARF19可以激活AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID14表達，抑制根生長，NLP3.2可以與ARF19直接互作，抑制其對下游基因的激活，促進根系生長。小麥中TaTAR2.1通過調控生長素合成影響側根生長。獨腳金內酯與根系發育也存在密切聯系。硝酸鹽存在時，獨腳金內酯信號通路關鍵組分D53發生降解，使得被抑制的SPL14、SPL17得以釋放，從而激活OsPIN1b的表達，促進根伸長。MicroRNA444通過調控MADS家族轉錄因子，調控水稻根系對硝酸鹽和銨鹽的響應。根瘤的固氮作用是豆科植物氮素利用的重要策略。高硝酸鹽條件下，大豆中NIC1a/b可以直接激活NLP1和NLP4的表達，促進硝酸鹽吸收，但固氮作用受到抑制。過量表達GmGLP20.4不僅可以增加根瘤的發生，還可以促進主根伸長和側根密度。

· 展 望 ·

目前，關于氮素調控根系構型的研究主要以擬南芥為研究對象，在作物中的研究相對較少，僅有少數能夠提高田間氮肥利用率的位點得到了驗證。其中一個原因是很難實現對作物根系田間表型的無損收集，而計算機斷層成像技術的發展與利用使之成為現實，將極大地推動相關基因的挖掘。另一個原因是很多基因的功能行使往往具有細胞特異性，而常規研究往往將整條根作為研究對象，這可能會稀釋掉部分基因的功能，單細胞技術的發展將為這一問題提供解決方案。此外，管理措施會在很大程度上影響作物根系生長，挖掘其遺傳機制，將有助于理解表型、環境型及管理措施的內在聯系，有助于發揮作物產量的最大潛力。

通過調控根中的生長素、脫落酸 (ABA) 和油菜素內酯 (BR) 實現的。硝酸鹽可以促進生長素轉運蛋白PIN2去磷酸化和其極性定位，影響生長素的分布，此外，microRNA393和生長素受體蛋白AFB3協同調控硝酸鹽依賴的主根生長。硝酸鹽可以激活BG1基因的表達，提高根中活性ABA含量，促進主根生長。輕度氮缺乏時，油菜素內酯受體基因BRI1-ASSOCIATED RECPTOR KINASE 1和合成基因DWARF1表達量升高，促進根系生長。BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE3是調控低氮條件下根系生長的關鍵因子，此外，CALMODULIN-LIKE-8可以與PEP1 RECEPTOR 2發生相互作用，通過整合BR信號和硝酸鹽信號調控低氮條件下的根系發育。

2. 氮素依賴的側根生長銨鹽會抑制側根伸長但促進側根分枝。銨鹽的吸收伴隨著質子外排，造成質外體酸化，使得生長素質子化，進而被生長素轉運蛋白AUX1和LAX3轉運至側根原基外側的表皮細胞，通過激活細胞壁重塑相關基因表達，使細胞壁松弛，減少側根外伸的機械阻力。無氮或低硝條件下，NRT1.1會將生長素轉運出側根原基及新生側根根尖，并抑制生長素合成基因TAR2及生長素內流基因LAX3表達，造成局部生長素含量降低，抑制側根生長。此外，NRT1.1可以和受體激酶QSK1、質子泵AHA2在細胞膜上形成復合體，使得AHA2活性降低，抑制質子外排，降低了質外體酸化對根生長的促進作用。輕度氮缺乏時，NRT1.1的生長素轉運活性受到抑制，生長素合成基因TAR2、YUC8和TAA1表達受到誘導，均使得生長素在側根積累。OBP4-XTH9是生長素響應因子ARF7、ARF19下游的響應模塊，XTH9激活側根生長，OBP4可以直接抑制XTH9基因的表達。3. 氮素依賴的根毛生長細胞質中銨離子含量與根毛生長密切相關，一個液泡膜定位的蛋白激酶對于維持這個過程起到重要作用。低氮條件下，TAA1和YUC8表達的激活使得根尖生長素含量得到提升，生長素轉運蛋白AUX1和PIN2將生長素轉運至根毛分化區域，進而通過生長素響應因子ARF6和ARF8激活RHD6和LRL3的表達，從而促進根毛生長。4. 作物中氮素調控根系構型的基因水稻中NAR2.1和NIT1、NIT2的互作增加了生長素的合成，促進了根系生長。RNR10通過維護DULL NITROGEN RESPONSE1蛋白穩定性抑制生長素合成，RNR10突變后會增強根系的氮響應。玉米中ARF19可以激活AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID14表達，抑制根生長，NLP3.2可以與ARF19直接互作，抑制其對下游基因的激活，促進根系生長。小麥中TaTAR2.1通過調控生長素合成影響側根生長。獨腳金內酯與根系發育也存在密切聯系。硝酸鹽存在時，獨腳金內酯信號通路關鍵組分D53發生降解，使得被抑制的SPL14、SPL17得以釋放，從而激活OsPIN1b的表達，促進根伸長。MicroRNA444通過調控MADS家族轉錄因子，調控水稻根系對硝酸鹽和銨鹽的響應。根瘤的固氮作用是豆科植物氮素利用的重要策略。高硝酸鹽條件下，大豆中NIC1a/b可以直接激活NLP1和NLP4的表達，促進硝酸鹽吸收，但固氮作用受到抑制。過量表達GmGLP20.4不僅可以增加根瘤的發生，還可以促進主根伸長和側根密度。

· 展 望 ·

目前，關于氮素調控根系構型的研究主要以擬南芥為研究對象，在作物中的研究相對較少，僅有少數能夠提高田間氮肥利用率的位點得到了驗證。其中一個原因是很難實現對作物根系田間表型的無損收集，而計算機斷層成像技術的發展與利用使之成為現實，將極大地推動相關基因的挖掘。另一個原因是很多基因的功能行使往往具有細胞特異性，而常規研究往往將整條根作為研究對象，這可能會稀釋掉部分基因的功能，單細胞技術的發展將為這一問題提供解決方案。此外，管理措施會在很大程度上影響作物根系生長，挖掘其遺傳機制，將有助于理解表型、環境型及管理措施的內在聯系，有助于發揮作物產量的最大潛力。

來源: Engineering前沿