植物吸收转运无机氮的生理及分子机制

氮是植物生长必需的营养元素。植物从土壤中吸收的氮素主要是NO3-和NH4 等无机氮源。植物吸收NO3-和NH4 的系统均有高亲和转运系统(high-affinity transport system,HATS)和低亲和转运系统(low-affinity transport system,LATS)之分。近10多年的研究已对这些转运系统的分子基础有了较好的理解,本文着重对近年来植物吸收无机氮分子机制的研究进展进行了综述。     

植物吸收转运无机氮的生理及分子机制

氮是植物生长必需的营养元素。植物从土壤中吸收的氮素主要是NO3-和NH4 +等无机氮源。植物吸收NO3-和NH4+的系统均有高亲和转运系统(high-affinity transport system, HATS)和低亲和转运系统(low-affinity transport system, LATS)之分。近10多年的研究已对这些转运系统的分子基础有了较好的理解, 本文着重对近年来植物吸收无机氮分子机制的研究进展进行了综述。     

高粱高亲和硝酸盐转运蛋白NRT2/3基因家族鉴定、表达与DNA变异分析

硝态氮是作物吸收无机氮素的主要形态,硝酸盐转运蛋白2(nitrate transporter 2,NRT2)作为高亲和性的转运蛋白,以硝酸盐作为特异性底物,在可利用的硝酸盐受限时,高亲和性转运系统被激活,在硝酸盐吸收、转运过程中发挥着重要作用。大多数NRT2不能单独转运硝酸盐,需在硝酸盐同化相关蛋白2(nitrate assimilation related protein 2,NAR2)的协助下才能完成硝酸盐的吸收或转运。作物氮利用效率受环境条件影响,品种间存在差异,因此培育高氮素利用效率品种有重大意义。高粱(Sorghum bicolor)具有耐贫瘠特性,对土壤中的氮素吸收和利用效率较高。本研究结合高粱基因组数据库对NRT2/3基因家族成员基因结构、染色体定位、理化性质、二级结构与跨膜结构域、信号肽与亚细胞定位、启动子区顺式作用元件、系统进化、单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)的识别与注释及选择压力进行了全面分析。通过生物信息学分析,筛选出5个NRT2s(命名为SbNRT2-1a、2-1b、SbNRT2-2–4)基因和2个NAR2s(SbNRT3-1–2)基因,较谷子略少。分布在3条染色体上,分为4个亚家族,同一亚族中基因结构高度相似;高粱NRT2/3亲水性平均值均为正值,表明均为疏水性蛋白;α-螺旋和无规则卷曲占二级结构总量的比例大于70%;亚细胞定位均在质膜上,其中NRT2s蛋白不含信号肽,NRT3s蛋白含信号肽;进一步对其跨膜结构域进行分析,发现NRT2s家族成员跨膜结构域个数均大于10个,而NRT3s家族成员跨膜结构域个数为2个;高粱与玉米(Zea mays)NRT2/3s的共线性较好;蛋白结构域显示存在MFS_1和NAR2蛋白结构域,可执行高亲和力硝酸盐转运;系统进化树分析可知,高粱与玉米和谷子的NRT2/3基因亲缘关系更近;基因启动子顺式作用元件分析发现,SbNRT2/3基因的启动子区均具有数个植物激素和逆境应答元件,可以响应高粱生长和环境变化;基因表达热图显示低氮条件下在根诱导表达的是SbNRT2-1a、SbNRT2-1b和SbNRT3-1,推测可在高粱根部表达并调控对硝酸盐的吸收或转运过程。在SbNRT2-4和SbNRT2-1a等发现多个非同义SNP变异;选择压力分析表明,高粱NRT2/3基因家族在进化过程中受纯化选择作用。SbNRT2/3基因表达及蚜虫侵染影响与基因在不同组织中的表达分析结果一致,SbNRT2-1b和SbNRT3-1在感染蚜虫品系5-27sug根部表达显著,高粱蚜虫侵染叶片显著降低了SbNRT2-3、SbNRT2-4和SbNRT3-2的表达水平。本研究初步对高粱全基因组NRT2/3基因家族进行鉴定、表达与DNA变异分析,为高粱氮高效研究提供了基础。     

植物硫转运蛋白研究进展

硫转运蛋白在植物对硫酸盐的吸收和转运中起着重要的作用。已经在拟南芥、大麦和小麦等植物中分离到了40多种硫转运蛋白基因。这些基因序列与其他种类生物的硫转运蛋白基因序列有着高度的保守性。利用CLUSTAL程序建立的系统进化树将植物硫转运蛋白划分为5个亚群。使用多种拓扑预测程序推测出不同植物硫转运蛋白的共同结构特点是均含有12个跨膜域。在柱花草和大麦中,硫转运蛋白基因表达调控包括植物体内硫水平的负调控和O—乙酰丝氨酸的正调控两种方式。对硫转运蛋白的组织定位和功能研究表明,高亲和硫转运蛋白主要定位于根部,在根系硫酸盐吸收中起重要作用。     

八种氨基酸对水稻硝酸盐吸收的影响

目的:在较低NO3-浓度下,研究不同氨基酸对水稻硝酸盐吸收的调控作用.方法:使用非侵害性硝酸盐检测系统测定了谷氨酸、天门冬氨酸、精氨酸、赖氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸和丝氨酸8种氨基酸对水稻硝酸盐吸收的动力学影响.结果:加入谷氨酸、天门冬氨酸后对水稻硝酸盐的吸收有短暂的促进作用,硝酸盐净吸收率分别上升258±123%和217±34%;另外,加入赖氨酸和精氨酸以后发现水稻硝酸盐的吸收率降低-63±34%和-64±27%,反应延迟时间为30min以上,而其他4种氨基酸并没有产生明显的影响.结论:氨基酸不是直接调控水稻高亲和力NO3-转运系统,而可能是对NO3-同化过程进行调控.     

菊花基因组DNA甲基化水平对根系硝态氮吸收的影响

以菊花的扦插生根苗为试材,在缺氮和适氮水培条件下,分别使用甲基化抑制剂(5-aza C)和甲基供体(SAM)处理菊花根系,测定处理后基因组DNA甲基化水平变化、根系构型相关参数、根系硝态氮含量以及NO3-转运蛋白基因Cm NRT1.1、Cm NRT2.1、Cm NAR2.1的相对表达量。结果表明,在适氮条件下,5-aza C处理的菊花根系DNA甲基化水平降低,根系总直径、总表面积及总体积增大;根系NO3-含量与对照相比显著增加,根系NO3-转运蛋白基因Cm NRT1.1、Cm NRT2.1、Cm NAR2.1相对表达量也有所升高。据此推测,降低菊花根系基因组DNA甲基化水平可以提高根系NO3-转运相关基因的表达,进而促进根系对NO3-的吸收。     

茶树硝酸盐转运蛋白基因的克隆和表达分析

硝酸盐转运蛋白（NRT）是植物吸收和利用硝态氮的一种关键蛋白。运用RACE技术从茶树中扩增出NRT基因的cDNA,并利用实时荧光定量PCR检测了CsNRT基因在不同茶树器官与品种之间的差异表达。结果表明：CsNRT基因的cDNA全长2 061 bp,开放阅读框为1 818 bp,编码含由605个氨基酸组成的蛋白质,GenBank登录号为KJ160503,属于NRT2基因家族。CsNRT为组成型基因,对不同处理的水培茶苗进行定量表达分析显示,该基因在根、茎、叶中都有表达,其中在根部的表达水平最高,1.0 mmol·L-1的NO3-可诱导其表达量上升7.53倍。不同茶树品种中CsNRT基因的表达也有较大差异,‘龙井长叶’和‘凫早2号’的表达量较高,前者强烈响应0.5和1.0 mmol·L-1 NO3-的诱导,后者的响应浓度为1.0和2.0mmol·L-1,而‘舒茶早’在各浓度下的表达差异不明显。     

小麦NO3-转运蛋白基因TaNRT2.3的克隆和表达分析

用RT-PCR和RACE技术在NO3-诱导处理的小麦(Triticum aestivum L.)根中克隆到一个硝酸根转运蛋白基因的cDNA,命名为TaNRT2.3(GenBank登录号AY053452).序列分析表明,TaNRT2.3全长1 744 bp,其中含有1 521bp的ORF,编码507个氨基酸,具有12个跨膜区,属于MFS超基因家族中的NNP家族.TaNRT2.3与其他植物中已知的NRT2具有很高的同源性.Northern杂交表明:TaNRT2具有在根中表达的组织特异性,而在叶中未检测到.TaNRT2的表达受NO3-诱导,在含NH4 介质中不表达.NO3-在低浓度(5～200μmol/L)和高浓度(2.0 mmol/L)时均起作用.通过研究小麦在0.2 mmol/LNO3-条件下TaNRT2的表达水平及对NO3-的吸收效率,表明TaNRT2在小麦高效吸收NO3-方面起着重要的作用.分根实验表明植物中N循环本身可以作为吸收N的调节信号.     

植物吸收利用铵态氮和硝态氮的分子调控

本文介绍了植物吸收和利用NH4^＋、NO3^-的转运系统和相关基因的表达调控特征,以及与氮还原、同化相关的酶及其调控基因的发现和功能的研究进展。     

蔬菜营养与硝酸盐的关系

蔬菜硝酸盐累积是无公害蔬菜生产的限制因子之一,与蔬菜营养的关系密切．喜硝性是蔬菜作物的营养特性,NO3^-通过高亲和吸收转运系统和低亲和吸收转运系统被蔬菜吸收,在钼、锰、铁、铜、硫、磷等多种必需营养元素参与下被还原同化．文中简述了必需营养元素在蔬菜硝酸盐吸收和还原同化中的作用,重点论述了氮肥用量、种类及形态配比、施用时期、方法和氮素供应方式、磷素营养、钾索营养、中微量元素营养和平衡营养与蔬菜硝酸盐累积的关系,提出了今后研究工作的主攻方向,为控制蔬菜硝酸盐累积、提高蔬菜品质和生产无污染、安全、优质的无公害蔬菜提供参考．     

植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展

铁是植物正常生命活动所必需的微量矿质元素, 铁离子的吸收、转运和利用是一个复杂的过程, 很多基因参与了这一过程。本文对近10年来发现和分离的参与植物铁吸收、转运及调控的基因研究进展进行了综述。根据最近的研究结果, 提出了植物控制铁吸收的分子调控模式(机理I)。     

矮珍珠硝酸盐转运蛋白基因GeNRT2.1的克隆和功能研究

硝酸盐转运蛋白（nitrate transporter,NRT）是植物识别、吸收和转运硝酸盐的关键蛋白,对促进作物根系发育、提高产量具有重要作用。通过筛选水生植物,利用NRT蛋白的保守区设计简并引物,并通过PCR和RACE技术,首次从矮珍珠（Glossostigma elatinoides）中克隆得到GeNRT2.1基因。进化分析结果表明,GeNRT2.1与烟草NRT2.1在进化关系上距离最近。qRT-PCR结果表明,GeNRT2.1在矮珍珠根中表达量最高,其次是叶和茎,此外,低浓度硝酸盐（0.5 mmol·L^-1）处理后,GeNRT2.1在根、叶、茎中的表达量分别是高浓度硝酸（2 mmol·L^-1）处理后的1.89、1.93和2.07倍。功能互补实验发现,GeNRT2.1能使缺陷型酵母Δynr恢复生长,具有硝酸盐转运蛋白的功能。通过丰富NRT基因资源,以期为培育氮肥高效利用转基因作物,发展绿色农业,保证我国的粮食安全和环境安全提供理论依据。     

植物铁吸收、转运和调控的分子机制研究进展

铁是植物正常生命活动所必需的微量矿质元素,铁离子的吸收、转运和利用是一个复杂的过程,很多基因参与了这一过程。本文对近10年来发现和分离的参与植物铁吸收、转运及调控的基因研究进展进行了综述。根据最近的研究结果,提出了植物控制铁吸收的分子调控模式(机理I)。     

拟南芥中myo-肌醇-多磷酸合成与代谢及其信号

在酵母、真菌、动物和植物等真核生物中, 以myo-肌醇为基石通过不同位点的磷酸化形成各种myo-肌醇-多磷酸及其衍生物。过去10年的研究发现这些肌醇多磷酸参与了膜脂定向转运、蛋白结构稳定、离子通道调控、RNA转运以及DNA修复和染色质重塑等细胞生物学的基本进程。近些年在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的研究中, 许多调控植物生长发育和环境胁迫应答的重要基因被发现, 并证实这些基因参与myo-肌醇-多磷酸的合成与代谢。该文概述了拟南芥中myo-肌醇-多磷酸合成与代谢的基因调控机理, 综述了不同肌醇多磷酸作为信号分子的功能, 提出肌醇多磷酸如同一类信息代码传递着植物细胞有序进程的基本指令。     

高粱全基因组NRT1基因鉴定、表达与DNA变异分析

硝态氮是旱地植物吸收氮素的主要形式,其吸收与硝酸盐转运蛋白1(NRT1)密切相关。高粱(Sorghum bicolor)较耐贫瘠,对土壤中的氮素吸收和利用效率较高。以拟南芥、水稻的NRT1为基础,通过Blast筛选高粱核酸和蛋白数据库获得SbNRT1基因全长序列,并结合生物信息学方法鉴定出了20个SbNRT1基因,对其进行基因结构、系统进化树、基因表达、选择进化分析,同时对其蛋白质的理化性质、二级和三级结构进行分析。结果显示:SbNRT1分布于SBI-01~SBI-10上(除SBI-08);SbNRT1蛋白质均为疏水性蛋白,绝大多数蛋白质没有信号肽,且亚细胞定位在质膜上;二级结构以α-螺旋和无规则卷曲为主,SbNRT1蛋白三级结构与预测一致,可信度均达到93%;SbNRT1存在8个分支,高粱与谷子、玉米的NRT1同源关系更近,且高粱在进化上出现了单双子叶的分化;Sobic.004G193000基因在生育期多个部位表达水平较高,Sobic.001G133900、Sobic.003G295500和Sobic.001G302800在高粱根部受硝酸盐诱导表达,也受铵盐和尿素诱导;高粱种质基因组重测序数据计算的ka/ks值表明,SbNRT1的进化具有纯化效应。该研究结果为进一步探讨高粱氮高效相关基因的功能研究提供了基础。     

钾离子转运载体HAK/KUP/KT家族参与植物耐盐性的研究进展

钾可以通过多种方式参与植物的生长和发育,在植物缓解盐等非生物胁迫方面发挥重要作用。在植物中,HAK/KUP/KT是成员数目最多的一类高亲和钾转运蛋白家族,本文对该家族成员的分类、盐胁迫下钾的吸收、转运、生理功能和分子调控机制等方面的研究进行了综述,并对该转运体家族今后的研究方向进行了展望。     

烟草磷转运蛋白基因NtPHT2;1的克隆和表达分析

植物对磷酸盐的吸收与利用主要依靠磷转运蛋白,其中PHT2家族编码的低亲和磷转运蛋白主要负责植物在正常供磷条件下磷酸盐的吸收、转运与再利用。为了探究低亲和磷转运蛋白基因NtPHT2;1在烟草转运磷酸盐中的作用和表达模式,本研究以普通烟草K326的cDNA为模板,克隆得到NtPHT2;1,对该基因进行生物信息学分析和蛋白质的亚细胞定位,并通过荧光定量PCR技术对该基因在低磷等非生物胁迫下的基因表达模式进行分析。结果表明：（1）NtPHT2;1基因的全长为1 764 bp,编码587个氨基酸。（2）亚细胞定位结果表明,NtPHT2;1蛋白定位于叶绿体上。（3）同源性比对发现,NtPHT2;1蛋白与辣椒CaPHT2;1蛋白的同源性最高达到91.00%。（4）启动子分析表明,NtPHT2;1启动子含有参与调控植物衰老、逆境胁迫相关的顺式作用元件。（5）组织表达模式分析表明,NtPHT2;1在叶片中的表达量最高,新叶中的表达量比老叶中的高;在低磷诱导条件下,该基因的表达量与正常条件相比差异不显著。（6）不同非生物胁迫下的表达模式表明,在盐胁迫和干旱胁迫下,该基因的表达量显著降低。研究认为,NtPHT2;1基因主要是负责烟株正常生长发育条件下磷酸盐的转运与利用。     

高等植物K+吸收转运蛋白及其分子调节

K 在植物的生命活动中发挥着十分重要的作用。植物对K 的吸收,可分为高亲和吸收与低亲和吸收。在分子水平上,高亲和吸收主要由KUP/HAK/KT及HKT家族的K 转运蛋白来承担;而Shaker、KCO等家族的K 通道蛋白,则主要在植物的低亲和吸收中发挥重要作用。AKT1、HAK5及其在植物中的同源基因在高等植物K 吸收转运中占有举足轻重的地位。KUP/HAK/KT家族基因的调节,主要是转录水平的调节,而K 通道蛋白的调节则可能主要是一种翻译后调节。植物的蛋白激酶通过磷酸化K 通道蛋白来调节通道的活性,从而改变K 的吸收特性。本文综述了高等植物K 吸收运转及调节的分子机制研究方面的最新进展,并对研究的前景进行了展望。     

异质性UV-B辐射下NO在活血丹光合特性中的作用研究

我们前期研究发现异质性UV-B辐射下NO参与克隆植物紫外吸收物和抗氧化酶活力的整合过程。光合作用在植物生长过程中十分重要,但异质性UV-B辐射下NO在克隆植物光合特性中是否发挥作用仍不清楚。本研究模拟同质(克隆分株片段均处于自然背景辐射)和异质(克隆分株一端处于自然背景辐射,另一端处于补加的UV-B辐射)UV-B辐射,以克隆植物活血丹为材料,研究异质性UV-B辐射下,NO清除剂在克隆整合提高活血丹气体交换参数和叶绿素含量中的作用。结果表明:与处于同质UV-B辐射环境相比,异质UV-B辐射下连接处理中的活血丹UV-B辐射端气体交换参数和叶绿素含量显著增加,但NO清除剂改变了这一趋势,说明NO作为信号分子在克隆植物生理整合提高了活血丹光合生理特性中发挥重要作用,有助于全面认识UV-B辐射在克隆植物生长调控中的作用,为了解异质性UV-B环境下克隆植物生理整合的机理提供理论依据。     

植物重金属超富集机理研究进展

植物超富集重金属机理主要涉及植物对金属离子高的吸收、运输能力,区域化作用及螯合作用等方面,其中跨膜运载蛋白的表达、调控对重金属超富集这一特性起了关键作用。金属阳离子运载蛋白家族主要包括CDF家族、NRAMP家族和ZIP家族等,在超富集植物中已克隆出多个家族的金属运载蛋白基因,这些基因的过量表达对重金属在细胞中的运输、分布和富集及提高植物的抗性方面发挥了重要作用。综述了近年来研究重金属超富集植物吸收、转运和贮存Zn、Ni、Cd等重金属的生理和分子机制所取得的主要进展。