谷氨酸合成酶基因及其在植物氮代謝中的調節作用綜述

牛 超， 劉關君， 曲春浦， 冷 雪， 張國壁， 楊成君

(1.東北林業大學林木遺傳育種國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040； 2.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040)

氮素是植物生長發育所必需的基本營養元素[1]，在植物生長發育和形態建成中起著重要的作用[2-3]。植物從外界環境中可直接吸收土壤中的銨態氮、硝態氮等無機氮以及尿素、氨基酸等有機氮，也可通過固氮菌對氮氣(N2)的固氮作用獲得氮素營養[4]。對于NH4+的獲取有多種來源，一部分來自根通過細胞質膜上的專一性轉運蛋白吸收的NH4+與NO3-，其中NO3-由體內細胞質硝酸還原酶(NR)還原為NO2-，再由質體中的亞硝酸還原酶(NiR)將進入質體的NO2-還原為NH4+；另一部分來自光呼吸、根瘤菌固氮作用、氨基酸代謝、類苯基丙烷代謝、衰老組織氮化合物轉移再利用等多種途徑[5]。NH4+進入氮同化途徑后，首先NH4+和谷氨酸由谷氨酰胺合成酶(GS)催化形成谷氨酰胺，然后由谷氨酸合成酶(GOGAT)將谷氨酰胺和α-酮戊二酸轉變為2分子谷氨酸，其中一分子谷氨酸可作為GS的底物，而另一分子谷氨酸可用于合成蛋白質、核酸等含氮化合物。在同化NH4+時，GS和GOGAT是同時起作用的，因而該途徑被稱為GS/GOGAT循環[5]。GS/GOGAT循環是無機氮轉化為有機氮的第1步，也是目前為止所發現的無機氮轉化成有機氮的主導途徑[7]。

高等植物體內95%以上的NH4+通過GS/GOGAT循環同化，GOGAT是該途徑的限速酶[8-9]。GS與GOGAT在植物葉片、根瘤以及根中均有分布，但在不同器官中GS/GOGAT循環的作用不盡相同。在綠色組織中，GS/GOGAT循環的主要作用是同化光呼吸產生的NH4+以及硝酸鹽在葉中還原產生的NH4+；在根瘤中主要同化根瘤菌固氮產生的NH4+，而在根中則是同化吸收到體內的NH4+及硝酸鹽被吸收后在根中還原產生的NH4+。

提高GS/GOGAT循環的效率被認為是提高氮素利用率的一種有效途徑[10]，因此對于GS和GOGAT基因的研究引起了許多學者的關注。因為GOGAT基因序列過長(cDNA編碼序列超過6 kb)且不易操作，與GS相比[11-12]，GOGAT基因功能的研究報道相對較少。近年來隨著分子生物學技術的進步，對GOGAT基因的研究逐漸深入。本文主要總結和整理了近年來國內外GOGAT基因的研究成果，并對GOGAT在植物氮代謝中的作用及其調控機制進行詳細的論述。

1 GOGAT的發現

在1970年以前，多數學者認為谷氨酸脫氫酶(GDH)催化α-酮戊二酸的可逆還原氨化反應，是活體中氨同化的主要途徑[13-14]。其反應方程式為：

α-酮戊二酸 +NH3+NADH+H+谷氨酸+H2O+NAD+。

反應式中NADH為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。

1970年，Tempest等報道在產氣桿菌的無細胞制劑中檢測到可以催化α-酮戊二酸與谷氨酰胺還原形成2分子谷氨酸的酶，命名為谷氨酰胺-α-酮戊二酸氨基轉移酶，別稱谷氨酸合成酶，縮寫為GOGAT[15]。其催化的反應方程式為：

谷氨酰胺+α-酮戊二酸+NADPH+H+→2谷氨酸+NADP+。

反應式中NADPH為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。

而先前有關細菌氨同化的研究已證實GS催化的反應方程式為：

谷氨酸+NH3+ATP→谷氨酰胺+ADP+Pi+H2O[16]。

因此，GS與GOGAT的結合產生了細菌氨同化的新途徑，該途徑并未涉及到GDH[17]。對GS/GOGAT循環在細菌中(特別是在低氮供應的條件)調控作用的研究已日趨成熟，即使如此，是GDH還是GS/GOGAT循環主要參與氨同化過程仍然是一個有爭議的話題。

研究表明，植物在葉綠體中將亞硝酸鹽還原為氨基酸[18-19]。然而，葉綠體中GDH的活性非常低[20]，而GS的活性較高[21]，因此推測GOGAT也可能存在于葉綠體中。用完整的豌豆葉綠體進行試驗，證明GOGAT催化谷氨酰胺和α-酮戊二酸形成谷氨酸[9]，該過程是以還原型鐵氧還蛋白(Fd)作為電子供體，方式與NiR相似。幾乎同時，Dougall報道了在胡蘿卜細胞基質中存在以NAD(P)H作為電子供體的GOGAT[22]。

起初，尚不清楚NADH-GOGAT和Fd-GOGAT酶活是否由同一酶蛋白催化。Suzuki等研究表明，水稻根系和黃化葉的組織中可以用NADH和Fd作為電子供體檢測GOGAT活性[23]。然而，Suzuki等從水稻綠葉中提取并純化到相同性質Fd-GOGAT抗體的蛋白，其抗血清不與NADH-GOGAT交叉反應[24]。根據免疫學研究，綠葉中的Fd-GOGAT和黃化葉組織中的Fd-GOGAT是密切相關的蛋白質；相反，根組織中的Fd-GOGAT是獨特的蛋白質，因此NADH-GOGAT和Fd-GOGAT酶活不是由同一酶蛋白催化。光照生長和黃化的水稻葉片中Fd-GOGAT蛋白含量相同，但Suzuki等研究表明水稻葉和根中Fd-GOGAT具有相關但不相同的抗原成分[25]。現已確認在一些高等植物中由2個不同基因編碼Fd-GOGAT，并在葉和根中差異表達[26]。

2 GOGAT在植物細胞中的分布及其功能

高等植物中，GOGAT依據輔酶不同可分為2類，第1類是以Fd作輔酶，稱為Fd-GOGAT，主要存在于質體和葉綠體等綠色組織中，參與氮的初級吸收與光呼吸釋放氨的再吸收；第2類是以NADH作輔酶，稱為NADH-GOGAT，主要存在于非綠色組織中，如根瘤、根、莖和細胞質等，參與吸收氨的同化以及固氮作用。2種酶具有不同的分子量、分子結構、動力學特征及細胞定位，其依賴還原力的專一性和抗原性等方面也都不同，是2種不同的蛋白質，在植物中發揮的作用也不同。

2.1 Fd-GOGAT的定位及功能

Fd-GOGAT首先在豌豆葉的葉綠體中被發現[9]，光照豌豆葉綠體可以促使谷氨酰胺和α-酮戊二酸發生反應，該反應依賴于光反應的放氧作用。進一步研究表明，該反應需要光合作用過程中光反應階段生成的具有還原力的Fd作為電子供體，才能完成谷氨酸的合成反應，因此該反應特異地發生在葉綠體中。同時該反應對重氮絲氨酸(azaserine，GOGAT抑制劑)敏感，而對蛋氨酸亞砜亞胺(methionine sulfoximine，GS抑制劑)不敏感。光照葉綠體也能促使氨和α-酮戊二酸參與反應，同樣依賴于光反應的放氧作用[27]。這一過程對蛋氨酸亞砜亞胺和重氮絲氨酸均敏感，可推測GS和GOGAT之間的耦合作用催化了該反應。

現已在高等植物葉片[28]和低等植物藻類[29]的葉綠體中檢測到Fd-GOGAT的存在，Fd-GOGAT可以占植物葉中總蛋白質的1%[30]。水稻中Fd-GOGAT具有115 ku的2個亞基[25，31]，而在其他植物中該酶多數是以單體的形式存在，分子量為145～180 ku[20，32]。使用免疫金抗體定位技術在番茄的葉肉組織、木質部薄壁組織和表皮細胞的葉綠體基質中均檢測到Fd-GOGAT相應的蛋白質[33]。對玉米亞細胞定位及免疫熒光印跡(Western)分析表明，Fd-GOGAT蛋白質主要位于維管束鞘的葉綠體中[34]，該結果與1977年Harel等進行酶活測定的結論一致[35]。在水稻葉的葉肉組織中，Fd-GOGAT 蛋白質和酶活水平最高，在完全展開的成葉薄壁細胞中水平較低，并且在葉鞘和非綠色幼葉中水平更低[36]。同樣在大麥中Fd-GOGAT存在于葉肉組織和維管組織的葉綠體中[37]。在大多數裸子植物(包括針葉樹)的葉綠體中沒有檢測到GS的存在，然而已在松樹的葉綠體中發現GOGAT[38]，因此推測在裸子植物中氨同化可能發生在細胞質中。

Fd-GOGAT也存在于非光合組織中，在水稻、玉米、豆類、大麥和豌豆等植物根的質體中均檢測到Fd-GOGAT的存在[37，39-40]，其所需還原力的Fd可能是通過氧化磷酸戊糖途徑產生的[41]。在水稻根中，Fd-GOGAT酶活在根尖細胞中含量最高，隨著根細胞的成熟而逐漸降低。在幼嫩組織中，Fd-GOGAT酶活在所有細胞中均能檢測到，但在較老組織中只有中柱中能檢測到。

2.2 NADH-GOGAT的定位及功能

以NADH作為電子供體的GOGAT(NADH-GOGAT)主要存在于植物根中[42]。現已從水稻懸浮培養細胞和根瘤中提取并純化到NADH-GOGAT，其單體的分子量為196～200 ku[20]。然而在細菌中該酶則是由2個不同亞基構成的異源二聚體。在綠葉中NADH-GOGAT的酶活與Fd-GOGAT相比要低得多[20]。Yamaya等研究表明，在水稻非綠色和正在發育的葉片中仍存在高水平的NADH-GOGAT蛋白質和酶活，而Fd-GOGAT則在完全展開的成熟綠色葉中占主導地位[36]。組織免疫印跡分析表明，NADH-GOGAT存在于水稻幼葉的維管薄壁組織細胞和維管束鞘細胞中；但在缺氮水稻根中，NADH-GOGAT相應的蛋白質在中柱、頂端分生組織和次生根原基中均能檢測到[43]。

3 GOGAT基因的表達

已有研究表明，葉綠體中的Fd-GOGAT主要負責光呼吸過程產生的氨的回收與利用。Fd-GOGAT在受光調控的同時也受供氮條件的影響，例如大麥在光照條件下，供應硝態氮，葉中可檢測到更高水平的Fd-GOGATmRNA、蛋白質和酶活[44]。但不同物種或不同部位存在一定的表達差異，如在煙草葉片中，無論是通過抑制光呼吸還是抑制硝酸還原都會導致氨的減少，對Fd-GOGAT基因的表達、蛋白質含量和酶活都沒有影響[45]。

與綠色組織中表達的Fd-GOGAT相比，NADH-GOGAT主要在非光合作用組織及正在發育的葉片中表達，尤其在根部不同組織中會大量表達，且受氮素誘導明顯[13，46]。NADH-GOGAT主要參與氮素固定、硝酸還原及直接吸收產生氨的同化作用[47]。在水稻細胞培養物或根中，從缺氮狀態轉到供氮狀態后，NADH-GOGATmRNA積累顯著增加[48]。在銨態氮處理的大豆幼苗根中，NADH-GOGATmRNA的表達量、蛋白質含量及酶活都顯著增加[49]。無論供應低氮還是高氮，水稻根瘤中NADH-GOGAT表達水平均較高，因此推測NADH-GOGAT可能在菌根氮吸收過程中發揮關鍵作用[50]。

4 GOGAT調控氮代謝

4.1 GOGAT基因的調控

對于GOGAT基因的調控，可通過mRNA、蛋白質及酶活等相關指標進行分析。在一些植物的子葉和葉中，Fd-GOGAT受光的誘導，隨著mRNA水平和蛋白質含量的增加，其酶活也大幅增加[20]。在擬南芥中，Fd-GOGAT1 mRNA水平受光影響在短時間內(3 h)顯著增加，并在24 h達到峰值，而Fd-GOGAT2 mRNA水平受光的影響很小。黑暗處理對Fd-GOGAT1 mRNA的誘導作用不明顯，當施加適量的蔗糖后，可以部分替代光照對Fd-GOGAT1 mRNA的誘導作用，但對Fd-GOGAT2無影響[9]，因此推測在擬南芥中Fd-GOGATmRNA轉錄水平和酶活的誘導是光通過植物色素介導的。Fd-GOGAT的酶活也受供氮情況的影響，這可能與光照有關[20，51]。在光照條件下，大麥葉中檢測到Fd-GOGATmRNA、蛋白質和酶活含量是正常條件下的2倍，如果再施加適量的硝態氮，可檢測到更高水平的Fd-GOGATmRNA、蛋白質和酶活并且植株生長更加旺盛[44]。然而，在未供氮的多數植物中其水平仍明顯存在，如在煙草葉中，通過抑制光呼吸或硝態氮的還原降低了氨的含量，但Fd-GOGATmRNA、蛋白質和酶活水平均不受影響[45]。在黑暗生長的大豆幼苗中，當供應NH4NO3時在根中可以檢測到Fd-GOGATmRNA、蛋白質和酶活水平的升高，但對光照下生長的植物效果則不太明顯。目前關于銨態氮或硝態氮對下胚軸/莖、子葉或葉中Fd-GOGAT酶活的主要作用仍然是爭議的話題。在大豆中，當供應(NH4)2SO4時，根中的Fd-GOGAT酶活增加，而mRNA和蛋白質沒有相應的增加[49]。大多數情況下，在植物新葉的發育和生長過程中，伴隨著光合作用和光呼吸的增強，Fd-GOGAT酶活顯著增加[52]。在大麥中，隨著新葉的發育，Fd-GOGATmRNA、蛋白質和酶活含量有所增加，而后隨著葉片的衰老而減少[44]。Masclaux等重新研究了煙草葉片發育和衰老時氨同化過程發生的代謝，發現在植物頂部的第25～30片葉中，Fd-GOGAT蛋白質和酶活含量較高，但在老葉中明顯降低，直到植物底部的后9片葉中其表達量幾乎消失，這一現象可能與植物衰老有關[53]。Rubisco(核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶)和葉綠體GS2的大小亞基顯示出類似蛋白質數量上的減少，因為隨著葉片的成熟須要合成更多的谷氨酰胺，而嫩葉須要生長，因此須要谷氨酸用于其他氨基酸的合成。相反，細胞質GS1和NADH-GDH隨著葉片衰老而增加。目前已經在葡萄樹的葉中證明了Fd-GOGAT的酶活有類似的變化[54]。

對于NADH-GOGAT基因的調控，當水稻幼苗從氮饑餓狀態轉到供應1 mmol/L銨態氮中，根中NADH-GOGAT蛋白質和酶活水平在1 d內增加了10倍以上[46]。在水稻細胞培養基或根中施以低至50 μmol/L銨態氮后，在12 h內也可檢測到NADH-GOGATmRNA水平的增加[48]，并且推測谷氨酰胺可能作為其轉錄水平增加的信號。然而，大田軟海綿酸是蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶的有效抑制劑，并且能誘導水稻細胞培養基中NADH-GOGAT的積累。因此，調控NADH-GOGAT基因表達信號的傳遞機制仍是爭議的話題[55]。進一步研究表明，光照或各種氮素處理下的大豆子葉或下胚軸/莖中NADH-GOGAT酶活幾乎沒有影響。然而，在向氮饑餓的幼苗中加入適宜的銨態氮后，根中的酶活增加了近14倍。施加適量的氮源后也檢測到NADH-GOGATmRNA和蛋白質水平的小幅增加[49]。

4.2 Fd-GOGAT基因表達量的改變對氮代謝途徑的影響

外界氮素的變化往往會對植物的基因表達產生難以預料的影響，進而干擾結論的準確性；因此，要確定GOGAT基因調控氮代謝，最直接的辦法是在適合的氮素條件下提高和降低該基因的表達，觀察相關產物和底物變化，同時檢測其他相關基因的表達情況，從而分析GOGAT基因及其相關基因表達的相互關系。

4.2.1 過表達Fd-GOGAT基因 對于Fd-GOGAT基因的過表達，目前僅限于模式植物擬南芥中。Ishizaki等研究了擬南芥過表達Fd-GOGAT(GLU1)，在控制CO2濃度、光照度和NO3-濃度條件下改變NH4+的攝入量，導致谷氨酸過量生成，進一步研究表明總氨基酸庫也發生變化[56]。在光呼吸條件下供應充足的NH4+時天冬氨酸含量增加，谷氨酰胺和甘氨酸含量減少，但這種改變并不顯著；在非光呼吸條件下，谷氨酸和其他氨基酸含量增加。結果表明，合成的谷氨酸被迅速轉化成其他氨基酸，特別是天冬氨酸。

4.2.2 抑制表達Fd-GOGAT基因 對于Fd-GOGAT基因抑制表達的研究主要集中在近幾年，2010年，Kissen等通過全基因組微陣列方法分析敲除Fd-GOGAT1(GLU1；At5g04140)的擬南芥glu1-2突變體葉和根中表達譜的研究[57]。結果表明，glu1-2突變體的表達譜顯示在葉片中超過5 500個基因的表達發生變化，在根中近700個基因受顯著影響。參與谷氨酸生物合成與轉化的基因都發生變化，通過核磁共振(NMR)代謝組學分析表明氨基酸組成發生變化。在glu1-2突變體中谷氨酰胺水平升高且最為顯著。對敲除Fd-GOGAT1/GLU1的突變體進行相關基因表達分析表明，其中受影響的有光合作用、光呼吸和葉綠素合成途徑，結果顯示在glu1-2葉中Fd-GOGAT1水平全面下調并且其表型一致呈輕微萎黃。glu1-2表達譜揭示的另一方面是受多重應激反應，包括冷、熱、干旱和氧化應激，參與類黃酮生物合成基因的表達量也發生變化。基因編碼大多數應激相關的轉錄因子、細胞色素P450單加氧酶、谷胱甘肽S-轉移酶和UDP-糖基轉移酶在glu1-2突變體得到表達并受影響。這些結果表明Fd-GOGAT1的重要性，還間接證明在植物生長發育過程中谷氨酸起核心作用。2016年，Yang等報道編碼水稻Fd-GOGAT的ABC1(ABNORMAL CYTOKININ RESPONSE 1，細胞分裂素反應異常1)基因的功能特性[58]。突變等位基因的abc1-1突變體具有典型的缺氮綜合癥，而T-DNA插入的abc1-2突變體幼苗是致死型。代謝組學分析顯示在abc1-1突變體中高氮碳比(谷氨酰胺和天冬酰胺)的氨基酸和TCA循環中幾種中間產物過度積累，表明ABC1在氮同化和碳氮平衡中起關鍵作用。在ABC1編碼區中鑒定了5個非同義單核苷酸的多態性，并被定義為3種不同的單倍型，其在粳稻和秈稻亞種之間有較高的、特異性的分化。結果表明ABC1/OsFd-GOGAT調節氮同化和碳氮平衡對植物生長和發育至關重要。2017年，Zeng等分離出名為gogat1的水稻早熟葉的衰老突變體，其在葉中GOGAT總酶活性降低67%[59]。gogat1突變體在自然條件下表現出萎黃病，而在低光照條件下，葉片衰老程度較緩慢。gogat1突變體表現出結實率的降低，而gogat1突變體的籽粒蛋白質含量(GPC)顯著高于野生型。同時，在灌漿期，上數3片葉和頂部節間的總氨基酸含量大幅增加。結果表明，OsFd-GOGAT可能參與葉片衰老過程中氮的再動員，并為提高水稻氮素利用效率提供潛在的途徑。

4.3NADH-GOGAT基因表達量的改變對氮代謝途徑的影響

4.3.1 過表達NADH-GOGAT基因 關于植物GOGAT基因過表達的研究較少，特別是NADH-GOGAT基因的過表達，研究者認為導致此結果的原因可能是NADH-GOGAT基因較長，在大部分植物中約6～7 kb，不利于轉基因。目前對于NADH-GOGAT基因過表達的研究，僅在煙草和水稻的文獻中有報道。2001年，Chichkova等以CaMV35S作為啟動子，將苜蓿NADH-GOGAT基因轉化到煙草中，得到3個轉化子(GOS10、GOS13和GOS19)[60]。分子檢測表明，NADH-GOGAT在GOS轉基因株系的葉和根中低水平表達，但在宿主煙草該基因的表達幾乎檢測不到。GOS轉基因株系根中NADH-GOGAT酶活較對照植株有所提高(約15%～40%)。在溫室生長的GOS轉基因植株與對照植株相比，以NO3-或NH4+作為唯一氮源時植株進入開花期，表現出地上部干質量和總碳氮含量均有所增加。因此推測，通過轉基因增強NADH-GOGAT酶活，能使GOS轉基因煙草具有較高同化氮的能力。2002年，Yamaya等采用免疫學方法分析表明[61]，水稻衰老器官再動員產生的谷氨酰胺，經由韌皮部運輸至正在生長發育的器官中進行重新利用，NADH-GOGAT參與了這一過程。在水稻中過表達NADH-GOGAT，可使其粒重有所增加(最多為80%)，表明在水稻中NADH-GOGAT是提高氮素利用率和籽粒灌漿的關鍵酶。

4.3.2 抑制表達NADH-GOGAT基因 對NADH-GOGAT基因的抑制表達，目前在苜蓿、擬南芥和水稻等模式植物中有相關報道。2000年，Schoenbeck等利用AAT-2(天冬氨酸轉氨酶，根瘤中表達增強)啟動子調控的反義NADH-GOGAT轉基因苜蓿[62]。其中1個轉基因株系NADH-GOGAT酶活降低約50%，相應的蛋白質和mRNA含量也有所降低。但該株系的細胞質基質GS、Fd-GOGAT、AAT-2、AS(天冬氨酸合成酶)和PEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)的轉錄豐度以及GS、AAT和PEPC酶活均不受影響。在根瘤共生條件下轉反義NADH-GOGAT植株，即使共生固氮沒有顯著減少，也表現出適度的萎黃、生長遲緩以及含氮量降低等現象。但當供應適量的NO3-時緩解了萎黃現象，恢復增長以及含氮量。另外，轉反義NADH-GOGAT植株雄性不育。這些數據表明，NADH-GOGAT在共生固氮的同化和花的發育過程中起關鍵作用。

2002年，Lancien等在擬南芥NADH-GOGAT(glt1-T)敲除突變體中發發現，NADH-GOGATGLT1 mRNA在根中的表達水平明顯高于葉中[63]。該表達模式與主要編碼Fd-GOGATGLU1基因形成對比，GLU1在葉中表達最高并參與光呼吸。對不同器官特異性的表達模式表明NADH-GOGAT和Fd-GOGAT基因產物的生理作用是非冗余的。代謝分析表明當抑制光呼吸(1% CO2)時，同野生型相比，glt1-T 突變體在生長和谷氨酸生物合成中有特定的缺陷，即在這些條件下，glt1-T突變體的生長量下降約20%，谷氨酸含量也驟減70%。2014年，Konishi等探究NADH-GOGAT在擬南芥根中氮同化的作用[64]。對擬南芥供應銨態氮后，RT-PCR 和Western雜交分析表明在根中檢測到NADH-GOGAT的積累。GUS染色和免疫組織學分析表明NADH-GOGAT高度累積在非綠色組織的維管束、頂端分生組織、花粉、柱頭和根中。通過NADH-GOGAT插入T-DNA的突變體研究表明，與正常CO2條件下相比，其谷氨酸的合成和其株系的生物量積累均顯著降低，因此推測NADH-GOGAT在擬南芥根的氮同化過程中具有重要作用。

水稻主要生長在厭氧環境中，NH4+是其優先選擇的無機氮素。NH4+的同化是通過GS和GOGAT發生的耦聯反應進行的。在水稻中，已經鑒定了4個編碼GOGAT的基因，分別為Fd-GOGAT1、Fd-GOGAT2、NADH-GOGAT1和NADH-GOGAT2。OsNADH-GOGAT1主要在根尖、發育葉片和谷粒中表達，OsNADH-GOGAT2主要在完全展開的葉片和葉鞘中表達。2010年，Tamura等通過反向遺傳學方法分離出敲除缺失NADH-GOGAT1基因的突變體，研究表明，這種同工酶對幼苗期根中NH4+的同化起著重要作用[65]。2011年，Tamura等對缺失OsNADH-GOGAT2突變體進行研究[66]。田間試驗表明，NADH-GOGAT1對有效分蘗數的增長也起到非常重要的作用。NADH-GOGAT2和Fd-GOGAT在突變體中的表達與野生型是相同的，這表明其他GOGAT是無法彌補缺少NADH-GOGAT1的功能。Lu等用全基因組微陣列數據庫分析水稻GOGAT基因的轉錄模式，探究GOGAT基因對水稻GOGAT共抑制植株碳氮代謝的影響[67]。表達譜表明，水稻GOGAT基因家族成員在不同組織和器官中表達不同，說明它們在水稻體內扮演不同的角色。與野生型相比，GOGAT共抑制植株的分蘗數、地上部干質量和產量明顯降低。生理和生化研究表明，在GOGAT共抑制植株葉片中硝酸鹽、多種游離氨基酸、葉綠素、糖、磷酸糖和吡啶核苷酸的含量明顯降低，但葉片中游離NH4+、α-酮戊二酸、異檸檬酸的含量有所增加。因此GOGAT在碳氮代謝中發揮著重要作用，并且在水稻氮同化過程中是必不可少的。

2014年，Yamaya等通過反向遺傳學方法分析水稻中3種細胞質基質GS (GS1；1、GS1；2和GS1；3)和2種NADH-GOGAT(NADH-GOGAT1和NADH-GOGAT2)同工酶的功能[68]。OsGS1；2和OsNADH-GOGAT1主要在水稻根表層細胞中表達并受NH4+影響。插入內源性逆轉錄轉座子Tos17破壞OsGS1；2或OsNADH-GOGAT1基因，導致有效分蘗數的減少從而降低稻穗數。在敲除突變體中重新轉入自身啟動子調控下的OsGS1；2基因，可使稻穗數成功恢復到野生型水平。研究結果表明，水稻根系NH4+同化過程中GS1；2和NADH-GOGAT1起主要作用。OsGS1；1和OsNADH-GOGAT2主要在成熟葉片維管組織中表達。在OsGS1；1突變體中稻穗的增長率和灌漿率急劇下降，而在缺失OsNADH-GOGAT2突變體中每穗粒數則明顯減少。當OsGS1；1基因重新轉入到OsGS1；1突變體后表型可恢復到近似野生型水平。因此，這2種NADH-GOGAT酶可能在自然衰老期間對氮素再動員起重要作用，這些同工酶彼此之間不能彌補其缺失的功能。2014年，Pérez-Tienda等用AM真菌(Rhizophagusirregularis)侵染水稻，獲得轉基因株系并在2種氮素處理條件下檢測其菌根中AMTs、GS和GOGAT基因表達情況。結果表明，AM共生系統在低氮條件下OsAMT1；1和OsAMT1；3下調表達，在高氮條件上調表達。無論是高氮還是低氮條件OsAMT3；1都有較強的上調表達。因此推測，在水稻根中OsAMT3；1可能參與了菌根氮吸收途徑，OsGOGAT2在AM誘導的轉運蛋白OsAMT3；1供應NH4+的過程中起重要同化作用[50]。

5 展望

迄今為止，關于植物GOGAT基因的研究及其在植物氮代謝調控中的應用已經取得了一定進展，主要集中在模式植物和作物，但對木本植物的研究則較少。楊樹是多年生落葉木本植物的代表植物，基因組背景清晰，包括轉基因在內的相關分子生物學研究手段已經成熟；同時，楊樹易于無性繁殖，可在短期內獲得大量具有同一遺傳背景的無性系材料，并對外界氮素條件的變化具有非常好的適應性，這是其他模式植物無法比擬的優勢。但對于楊樹，氨的吸收與同化機制的研究卻鮮有報道。筆者所在課題組以楊樹為試材，在研究GOGAT基因的同時對氨吸收及同化過程中相關基因表達的協調性進行分析，其結果在豐富植物氨吸收與利用相關理論的同時，也將揭示木本植物中氨吸收與利用的特有機制，為利用基因工程等手段提高木本植物的氮素利用率奠定有利的理論基礎。

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