氮素在植物中的利用綜述

白文欽 胡明瑜 王春萍 蔣曉英 雷開榮 吳紅

摘要：氮素是植物生長的必需營養元素，世界范圍內常施用大量氮肥以提高作物的產量。然而，氮肥不僅價格昂貴，還會污染環境，威脅人類身體健康。解決這一問題的其中一個策略是開發一些能夠固氮和高效利用氮肥的作物，這樣可以在減少氮肥施用的情況下獲得較高的作物產量。本文梳理了植物對氮元素從源到庫器官的吸收、重組和利用的整個過程，分析了植物中參與分配和瞬時存儲的無機氮和有機氮的形式，以及它們如何影響氮的可用性、代謝和再活化。同時，介紹了氮素轉運蛋白在源和庫器官中的基本功能及其在調節氮的運輸、氮信號傳導調控中的重要性。認為氮素轉運蛋白是提高氮素利用效率和作物產量有效靶標，這為如何結合當前的研究發現來推動未來的作物工程發展提供了有價值的線索。

關鍵詞：氮素;吸收;同化;儲存;分配;運輸調控;作物改良

中圖分類號： S143.1文獻標志碼： A

氮是植物生長和繁殖所需的基本營養元素。植物根系主要吸收無機氮（硝酸鹽和銨鹽）作為氮源，但在特定生態系統中生長的一些植物也能夠從土壤吸收有機氮[1-4]。除了從土壤中直接獲得氮化合物之外，豆科（Leguminosae）植物能夠通過與根瘤中的細菌共生來固定大氣中的氮元素。根據植物種類和環境條件，獲得的無機氮被還原為結瘤、根或光合活性源葉中的氨基酸，在一些熱帶豆科植物的根瘤中，這些氨基酸被用來生產脲類化合物[5]。所產生的氨基酸或脲主要通過長距離運輸的形式從源（例如根、結節和成熟葉）運輸到庫。在營養生長期，根系和葉片是主要的氮庫，而生殖生長期的花、果實和種子是主要的氮同化物導入庫[6]。

植物通過木質部將氮從根部運輸到芽，而從源葉到庫的氮運輸發生在韌皮部中，同時，庫器官通常也存在有少量的木質部運輸形式[7-8]。在氮從土壤向源到庫的運輸過程中，定位在質膜上的轉運蛋白是必不可少的。它們能夠調節根系對氮的吸收、運輸和種子中氮的存儲[9-10]。在植物的營養生長階段，氮可利用程度和利用率主要取決于植物對土壤中氮的吸收、同化和運輸到庫的效率;在植物的生殖生長階段，種子中的氮利用效率不僅僅取決于土壤中氮的可利用程度和吸收效率，還取決于從源葉、莖或根中的蛋白質和氮的臨時存儲庫中可獲得的氮量，以及氨基酸（或脲）遷移效率[6]。

本文綜述了植物對氮的吸收、同化和從源到庫分配的分子機制，以及無機氮（即硝酸鹽和銨態氮）和有機氮（即氨基酸和脲）在植物中的分配機理，并闡述了它們在源和庫中的生理作用，以及它們對植物生產力的重要性。

1?氮素吸收與同化

科學家們已經在根中鑒定出各種具有不同底物親和性和特異性的無機和有機氮轉運蛋白。這些高度多樣化的吸收系統使植物根系能夠適應（包括養分脅迫條件下）不同氮成分和濃度的土壤環境。盡管這方面的研究不斷深入，但是不同的轉運蛋白及下游因子是如何來協調氮的同化過程的，仍不完全清楚。

1.1?根系對硝酸鹽和銨鹽的吸收

植物根系通過硝酸鹽轉運蛋白的介導，從土壤中吸收硝酸鹽和硝酸銨[10]。硝酸鹽轉運蛋白家族根據對硝酸鹽的轉運活性，可分為低親和性和高親和性兩大類，其中硝酸鹽轉運蛋白1（NRT1）屬于低親和力系統，在擬南芥的53種NPF/NRT1蛋白中，迄今為止已經有16種蛋白的功能被鑒定出。除了擬南芥中的NPF6.3/NRT1.1和水稻中的NRT 1.1B之外，它們都只具有低硝酸鹽親和力[11-14]。高親和力硝酸鹽轉運蛋白屬于NRT2家族，在擬南芥中有7個NRT2蛋白，而在水稻中則有3個NRT2蛋白[10]。NPF/NRT1和NRT2轉運體家族成員是質子偶聯蛋白，除了雙重功能的NPF7.3/NRT1.5轉運蛋白[15]和NPF2.7/硝酸輸出轉運蛋白（NAXT1）之外，它們都能夠介導硝酸鹽的外流[16]。此外，研究發現氯化物通道蛋白（CLC）家族也具有轉運硝酸鹽的功能[17]。

在擬南芥中，至少有6種轉運蛋白參與了根系對硝酸根的吸收。NPF63/NRT1.1[也稱氯酸鹽抗性蛋白1（CHL1）]和NPF4.6/NRT1.2主要在高硝酸鹽環境下發揮作用;NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5則在硝酸鹽匱乏環境中發揮作用，這4種蛋白吸收的硝酸鹽占植物吸收的硝酸鹽總量的95%，其中NRT2.1和NRT2.2起主要作用。基于基因表達分析和蛋白定位的結果，研究者認為NRT2.4和NRT2.5可能主要參與了通過根毛區表皮和皮層從土壤中直接獲得硝酸鹽的過程，而NRT2.1和NRT2.2則是介導了硝酸鹽通過質外體途徑進入皮質和內皮層細胞的過程[18-21]。近年來，研究者們在番茄（Solanum lycopersicum）、水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）等植物中也鑒定出了大量硝酸鹽運輸蛋白[10，22-23]。

除了硝酸鹽之外，植物也能夠吸收NH+4作為氮源，但是過量的銨會對植物細胞產生毒害，因此植物對銨態氮的吸收和同化受到嚴格的調控。在植物中，存在一類銨轉運蛋白（AMT）來實現銨鹽的吸收，根據其對銨鹽的親和性，也可以將其分為高親和轉運蛋白和低親和轉運蛋白。AMT在植物中廣泛存在，研究者們分別在擬南芥（6種）、水稻（10種）、楊樹（14種）和松樹（3種）中發現了大量的AMT編碼基因[24-27]。在擬南芥中，有4種AMT蛋白參與了根系對銨鹽的吸收，其中AMT1;1、AMT1;3、AMT1;5蛋白通過表皮直接吸收土壤中的銨，而AMT1;2蛋白則在皮層和內皮層細胞中表達，介導了銨鹽的質外體吸收。進一步研究發現，擬南芥通過AMT1;1、AMT1;2和AMT1;3蛋白吸收的銨鹽占銨鹽吸收總量的90%～95%[28]。在水稻中，銨鹽的吸收是由OsAMT1;1、OsAMT1;2和OsAMT1;3蛋白來完成，其中OsAMT1;1和OsAMT1;2基因表達水平隨著環境銨鹽濃度提高而上調;而OsAMT1;3基因則在氮匱乏狀態下表達，使得水稻能夠適應低銨鹽環境[29-30]。

1.2?根系對氨基酸的吸收

植物根系對有機氮的吸收的研究主要集中在氨基酸方面[1，31]。在擬南芥中，預計已鑒定出超過100種氨基酸轉運蛋白，大多屬于氨基酸-多胺-膽堿（APC）轉運蛋白超家族和屬于DMT超家族的多種酸轉運進出蛋白家族（UMAMIT）[32]。研究較多的氨基酸轉運蛋白家族包括氨基酸通透酶家族（AAPs）、賴氨酸和組氨酸轉運蛋白家族（LHTs）、脯氨酸轉運蛋白家族（ProTs）、γ-氨基丁酸轉運蛋白家族（GATs）、生長素轉運蛋白家族（AUXs）、芳香氨基酸和中性氨基酸轉運蛋白家族（ANTs）。一般而言，底物特異性和親和力在不同轉運子蛋白家族之間存在差異。AAPs被認為具有廣泛底物特異性的中等親和力，擬南芥中的AAP1蛋白參與了根系吸收谷氨酸和中性氨基酸的過程[33]，而AAP5蛋白則具有轉運堿性氨基酸的能力[34]。LHTs被推測具有高親和力運輸能力。AtLHT1定位于根表皮和葉肉細胞，能夠將中性和酸性氨基酸導入根部，同時能夠運輸作為乙烯前體的1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）[35-37]。擬南芥AtProt2蛋白參與了脯氨酸和甜菜堿的導入過程，超量表達該基因能夠提高植物的耐鹽性，這表明在缺水情況下受脅迫的植物根系細胞會提高內部溶質的濃度以提高滲透壓[38]。

1.3?氮同化與氨基酸合成和運輸

硝酸鹽還原酶將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽[39]。而亞硝酸鹽還原酶則將轉運到質體中的亞硝酸鹽進一步還原為銨鹽[40]。擬南芥中存在2種硝酸還原酶編碼基因AtNIA1和AtNIA2，在2種基因同時突變的擬南芥突變體nia1、nia2中，其硝酸還原酶活性只有野生型擬南芥的0.5%[41]。

谷氨酰胺合成酶（GS）是氮同化的關鍵酶，其與谷氨酸合酶（GOGAT）一起形成所謂的GS-GAGOT環，將銨鹽轉化成為谷氨酰胺。根據GS定位的不同，可以將GS分為胞質型GS（GS1）和質體型GS（GS2）。葉綠體GS2主要參與了氨的初級同化和葉肉中的光呼吸銨的同化作用[42]。GS1參與了根中氨的初級同化，特別是在高硝酸鹽環境下對氮同化有一定的作用[43]。有研究表明，擬南芥中的GS1型蛋白GLN1;2在成熟葉片中定位于伴細胞中，能夠促進韌皮部的氮裝載到庫中[44]。在葉片衰老過程中，GS1酶的活性被誘導提高，將從氨基酸分解代謝中得到的原料重新進行氮同化[45]。根據電子供體的不同，植物中的谷氨酸合酶（GOGAT）分為鐵氧還蛋白依賴的GOGAT（Fd-GOGAT）和NADP依賴的GOGAT（NADH-GOGAT），前者主要位于葉肉細胞的葉綠體中，后者則存在于葉和根伴隨細胞的質體中，二者均可促進氮的同化和分配[46]。水稻中存在Fd-GOGAT抑制因子的編碼基因OsARE1，突變該基因可以延緩植物的衰老，提高低氮條件下氮的利用效率，進而提高水稻產量[47]。

葉綠體（和細胞質）是大量蛋白來源氨基酸開始合成的部位，氨基酸的轉運依賴轉運蛋白來完成。研究發現，擬南芥中存在一種谷氨酸/蘋果酸轉運蛋白（AtDiT2），該蛋白能夠將氨基酸轉運出葉綠體[48]。矮牽牛中則存在一種陽離子氨基酸轉運蛋白（PhpCAT），該蛋白能夠將芳香族氨基酸從質體中運輸出來[49]。

1.4?根-芽氮運移

木質部參與了根-芽的硝態氮流、氮同化物、其他營養元素和水分的運輸。地面組織的運動是由葉片表面的蒸騰作用引起的，木質部的靜水壓力可梯度向下延伸到根部[50]。氨基酸的運輸往往發生在木質部（和韌皮部）中，其中天門冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺含量最為豐富[51]。在結瘤的熱帶豆科植物中，木質部中90%以上的氮以脲的形式出現，脲也是韌皮部中主要含氮化合物[52]。在外施不添加氮的營養液時，結瘤大豆木質部中的氮主要以氨基酸和脲的形式存在，無機氮的含量極低[53]。然而，當葉片中氮發生同化作用時，木質部硝酸鹽的濃度可能超過有機氮化合物的濃度[54]。木質部不僅保證了植物各個組織生理功能的直接氮供應，而且還能夠沿著其運輸途徑實現氮的回收，在根、莖、葉主脈以及木質部到韌皮部的轉移中建立氮貯藏池，以用于快速供應生長需求旺盛的庫。

2?營養組織中氮的儲存

在各種源器官、組織或亞細胞結構中沉積的氮化合物的類型和數量對氮的運輸和分配到庫具有相當大的影響。此外，氮儲藏池的形成能有效地控制胞質和質外體的氮濃度，從而通過前饋或反饋控制影響氮的吸收、運輸和同化。

2.1?硝酸鹽和銨儲存

有研究發現，在葉和根的液泡/細胞質中硝酸鹽的濃度較高[55]，當細胞質中硝酸鹽的濃度較高時，硝酸鹽會儲存在液泡中，當細胞質中硝酸鹽濃度降低，影響氮同化時，硝酸鹽又會從液泡中轉移到細胞質中。在擬南芥中，AtCLCa基因編碼的氯離子通道蛋白AtCLCA能夠通過偶聯硝酸鹽和質子的轉運，將硝酸鹽存儲到液泡中，并影響植物體中的硝酸鹽濃度[56-57]。擬南芥中AtNRT2.7基因編碼液泡膜轉運蛋白，主要是在種子特別是干種子中表達，對于在種子中累積硝酸鹽具有重要的作用[58-63]。在水稻中，OsNPF7.2基因編碼硝酸鹽低親和轉運蛋白，該蛋白定位于水稻根系伸長區和成熟區細胞的液泡膜。敲除OsNPF7.2基因將導致水稻在高硝酸鹽條件下的生長延遲，表明缺少該蛋白會影響硝酸鹽在根細胞中的分配，使得液泡不能起到調控細胞內氮元素含量的作用[64]。

過量的銨鹽會導致植物中毒，為避免銨鹽濃度過高帶來的毒性，大量的銨鹽被存儲在液泡中，其在液泡中的濃度可達1 mmol/L，以維持細胞質內較低的銨鹽濃度[60-61]。與成熟葉相比，老葉和幼葉中的銨鹽濃度通常更高，這是由氨基酸分解代謝和光呼吸作用造成的。與液泡膜上硝酸鹽轉運蛋白相比，參與液泡內銨鹽存儲的轉運蛋白有待研究[62]。

2.2?氨基酸的儲存

在發育過程中或受到非生物/生物脅迫，植物葉片中游離氨基酸成分及其濃度的變化較大[63]。隨著葉片衰老，葉片中氨基酸的總濃度穩步下降，而韌皮部汁液中的總氨基酸含量增加[64]。此外，氨基酸的種類隨著植物的年齡和氮素營養的變化而變化[65]。例如，在煙葉的幼葉中，脯氨酸含量占總氨基酸含量的20%，而在成熟和衰老的葉片中只有2%。與低硝酸鹽條件相比，在高硝酸鹽條件下油菜（Brassica napus）葉片中的游離氨基酸含量更高，氨基酸組成更豐富[66]。此外，干旱和鹽脅迫等環境條件能夠引起葉片中氨基酸的積累，這可能是相關氨基酸合成能力加強或者蛋白質降解釋放所造成的[67]。逆境脅迫解除后，植物在恢復過程中，暫時儲存的氨基酸可參與新陳代謝過程或轉運到新的沉淀物中。葉片儲存氨基酸的種類隨植物種類而變化，主要是谷氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸，而在C4植物玉米中主要為天冬酰胺[68]。總體而言，在不同的膜轉運系統、不斷變化的轉運機制以及底物特異性和親和力的作用下，大量的氨基酸在細胞或儲存池中的含量、種類頻繁地發生變化。

運用蛋白質組學，可鑒定出擬南芥液泡膜的氨基酸轉運蛋白，其中就包括了陽離子氨基酸轉運蛋白（CAT）[69]。亞細胞定位試驗證實，擬南芥CAT2和CAT4定位于液泡膜上[70]，但是它們在液泡運輸中的直接功能尚需進一步研究。番茄中也存在定位于液泡膜的氨基酸轉運蛋白SlCAT9，該蛋白的編碼基因在果實成熟期大量表達，進一步研究發現，SlCAT9蛋白介導了GABA（γ-氨基丁酸）與GLU/ASP的交換[71]。除了CAT蛋白，研究者在擬南芥中發現了負責芳香和中性氨基酸轉運的ANT1蛋白和負責丙氨酸和脯氨酸轉運的AtAVT3蛋白[72-73]。

2.3?脲類儲藏

在熱帶豆科植物中，氮主要以尿素的形式存儲在莖、葉柄或葉組織中[74]。在葉中，脲可能存儲在葉肉細胞的液泡中。固氮大豆有一類特化的旁側葉肉組織，研究表明，脲主要存在于這個組織之中，該組織也是營養生長過程中蛋白質儲存的主要場所[75]。然而，參與上述過程的轉運蛋白還未被鑒定出。有研究表明，尿囊素濃度上升可能會引發植物體對非生物和生物脅迫的一般反應[76]。

2.4?蛋白質的儲存

理論上講，植物體中的所有蛋白質均可認為是氮元素的存儲池。許多酶可能在營養組織中的氮存儲中發揮著作用。研究發現，相當大比例的核酮糖-1，5-二磷酸羧化/加氧酶是非活性的，在葉片衰老過程中，大亞基和小亞基似乎被獨立降解以用于再活化[77]。葉片中GS實際酶活性總是比根據GS2含量推測出的酶活理論值低，這暗示了GS2也可能具有氮存儲功能。此外，有研究發現，核糖體蛋白可以通過自噬作用實現氮元素的回收和再活化[78]，這意味著核糖體蛋白也是一種重要的氮源存儲池。營養貯藏蛋白（VSPs）是植物營養組織中氮存儲的主要形式，所有植物物種中都存在VSPs。在植物氮吸收能力下降時，VSPs在氮的累積和流動過程中具有重要的作用。也有研究發現，VSPs在植物適應非生物或生物脅迫中有一定的作用[79-80]。

3?氮素的分配

大多數的氮是以氨基酸形式從源葉中被運輸出，而在一些物種中則是以脲類的形式被運出。在衰老過程中，葉片成為氮/氨基酸的主要來源[81]，氮源的再活化和隨后的氮在庫中的使用對于保持種子產量十分重要[82]。

3.1?蛋白質降解與氮的再活化

在受到脅迫或者衰老時，葉片中會發生有機氮的再活化，自噬相關蛋白和液泡蛋白酶參與了這個過程[64]。在營養缺乏的情況下，自噬程度會加劇，這有助于對氮的再活化[83]。在植物中，一些衰老誘導合成的氨基酸轉運蛋白已經被鑒定出來，但是其在氮再活化中的作用還未知[64]。有研究發現，在葉片衰老過程中，韌皮部中天冬酰胺和谷氨酰胺的濃度增加，這意味著發生了一系列的轉氨基反應，增加了谷氨酸和酰胺類物質的合成[84]。

3.2?有機氮和無機氮在庫中的分配

韌皮部中的篩分子（SEs）和伴胞（CCs）形成長距離的運輸管道，可使氮向庫運輸。氮常以氨基酸或脲的形式從葉片向庫運輸[85]。韌皮部的硝酸鹽濃度相對較低，硝酸鹽與氨基酸的比例通常為1 ∶（10～100）[19，54]。氮的葉外運輸則是通過胞間連絲這種共質體途徑[86]。

通過被動運輸，氨基酸、脲類和硝酸鹽從薄壁組織或束鞘細胞中釋放，進入葉片質外體，然后被導入韌皮部[87-89]。參與硝酸鹽運輸到葉/韌皮部質外體的轉運蛋白尚未被發現，但韌皮部裝載硝酸鹽過程中發揮作用的轉運蛋白已經被鑒定出，包括NPF2.13/NRT1.7、NRT2.4和NRT2.5[1-3]。NPF2.13/NRT1.7 定位于葉片細脈的SEs/CCs中，促進老葉中韌皮部的裝載。NRT2.4在葉片韌皮部（可能是韌皮部薄壁組織）或接近韌皮部中表達，在缺乏氮條件下，從質外體中回收硝酸鹽，從而使氮向SEs/CCs運動。NRT2.5基因在擬南芥葉片的細脈中表達，并與NRT2.4一起影響葉片中硝酸鹽的再活化和其在韌皮部的運輸。NPF1.2/NRT1.11和NPF1.1/NRT1.12基因在葉片主脈伴細胞表達，它們除了在硝酸鹽從木質部到韌皮部傳遞中發揮作用外，還在硝酸鹽向幼嫩組織的分配中起重要的作用[90]。

對于從葉片中導出氨基酸的轉運蛋白的研究相對較少[91]。有研究表明，擬南芥中的雙向氨基酸轉運蛋白（BAT1）可能在氨基酸從韌皮部向庫組織的運輸中發揮作用[92]，AAPs可能參與了從葉質體中攝取氨基酸到SEs/CCs復合體的過程[93]。對擬南芥的研究表明，AAP8在源葉中韌皮部表達，在氨基酸韌皮部裝載過程中起著關鍵作用，并且能強烈地影響庫的大小和數量[94]。在菜豆中，PvUPS1基因能夠在整株植物的韌皮部位中表達，其編碼的蛋白對于尿囊素在韌皮部的轉載以及運輸到正在發育的庫中具有重要的作用[95]。

3.3?參與分配的氮素來源

植物從土壤中吸收氮元素，而氮的含量則取決于作物種類、基因型和環境條件[45]。例如，在油菜中，硝酸根轉運蛋白的表達和活性在生殖生長階段降低，硝酸鹽吸收較營養階段少[96-97]。此外，氮的吸收取決于土壤水分的有效性，多雨條件下，研究者發現田間生長的油菜植株的根系在生長發育過程中能夠大量地吸收氮元素[98]。在某些情況下有些地區夏季降水量不足，在這種情況下，植物需要將氮從蛋白質和氮儲存池中再活化，以確保生殖庫的氮營養需求。在擬南芥中，相較于高氮環境，植株氮利用效率（NUE）和氮活化效率（NRE）在低氮條件下更高。同時，在低氮條件下，同位素標記的14NO3 主要集中在植物的種子當中[99]。對玉米而言，籽粒中有62%的氮來自氮的再活化作用，其余38%的氮來源于根的吸收[1-3]。有研究表明，在土壤氮含量充足的情況下，植物在整個生長周期中，根系都能夠持續吸收氮元素[100]，于是，由于常在植物生長早期施用硝酸鹽肥料，在植物生育階段土壤中的硝態氮可能會被耗盡。

4?氮進入庫

種子是主要的氮庫，而在營養生長和多年生植物中，根、發育的葉和莖或樹干是主要的氮庫。有研究表明，溶質和大分子物質在根和莖中韌皮部的卸載方式有所不同[101]。現有研究表明，來自韌皮部的氨基酸的釋放發生在維管結構的末端，由UmamiT轉運蛋白家族來完成。其中UMAMIT11和UMAMIT14定位于與原生木質部和韌皮部相鄰的細胞質膜，能夠促進氮卸載和運輸到種子。SIAR1（UMAMIT18）蛋白定位于細胞膜上，其編碼基因在能夠維管組織中表達，也具有將氮源卸載并運輸到種子中的作用[102-103]。進一步研究發現，UMAMIT14和UMAMIT18不僅僅在種子發育中起作用，它們對氨基酸在根韌皮部的卸載也具有重要的作用[104]。在種皮中，氨基酸和硝酸鹽通過被動運輸輸出到種子質外體，然后被一些轉運蛋白導入到正在發育的胚中，并影響種子中蛋白的累積[105-106]。研究者發現，在豌豆中，氨基酸通透酶編碼基因PvAAP1在種皮和子葉表皮轉移細胞以及貯藏薄壁細胞中表達，對于種子中儲存蛋白的累積具有重要的作用[107]。在水稻中，OSAAP6蛋白定位于細胞內質網上，調控種子內蛋白質的積累，OsAAP6基因表達水平高的植株的種子內蛋白質含量也相應增加[108]。

硝酸鹽的運輸過程會影響種子的發育和休眠過程[109]。擬南芥NPF2.12/NRT1.6存在于角果和珠柄的微管組織中，可促進硝酸鹽向胚的運輸，從而影響種子發育和種子內硝酸鹽的積累[110]。此外，NPF5.5基因在擬南芥的胚中表達，該基因突變會減少胚中氮的含量，但似乎對種子發育沒有影響[111]。NRT2.7定位于胚細胞液泡膜，調節硝酸鹽在液泡中的積累，從而影響種子萌發[58]。

5?源到庫中的氮運輸和代謝的關系

氮從源到庫分配受源器官中氮的吸收和代謝、源輸出和庫輸入氮的能力的影響。在擬南芥和豆科植物中的研究已經證明，芽中氨基酸運輸能夠調控根中氮的吸收、源的代謝和庫的分配。在豌豆中，增加氨基酸在韌皮部的累積和裝載可以正向調控根中氮的吸收，進而影響源和庫中可利用氮的同化和使用[37，112-113]。此外，參與韌皮部裝載過程的氨基酸轉運蛋白能影響氮從源到庫的量，并影響種子發育[94]。相反，韌皮部氨基酸的濃度似乎對胚對氮的吸收沒有影響。例如，AAP8基因突變的擬南芥植株韌皮部中，降低氨基酸濃度對種子的氮含量沒有影響，但種子數量會顯著減少[94，114]。一般來說，定位于種子的氨基酸和硝酸鹽轉運蛋白可能調控了導入胚中的氮含量，轉運蛋白編碼基因表達水平的改變會影響種子中貯藏蛋白的積累[113，115-116]。然而，與單個種子所吸收的氮量相比，分配給許多庫（即水果和種子）的氮量，不僅取決于源和庫中轉運蛋白的活性，而且受植物中可用的總氮量以及在生殖生長前期建立的總庫數的影響。

6?氮運輸調控

為了實現氮的有效吸收和利用，植物在不同層面上發展出了一整套氮運輸的調控機制[117-118]。

6.1?細胞水平調節

硝酸鹽能夠調節包括NPF63/NRT1.1、NPF7.3/NRT1.5、NPF7.2/NRT1.8、NRT2.1和NRT2.2在內的硝酸鹽轉運蛋白的轉錄水平，從而影響氮在植物中的運輸[119]。在擬南芥中，NPF63/NRT1.1不僅僅參與硝酸鹽的吸收和轉運，也能夠作為外界硝酸鹽信號的感受器，通過調控多種生理學和形態學上的變化（如種子休眠和形成側根）對外界硝酸鹽的變化作出應答[120]。包括NLP7在內的大量轉錄因子參與了硝酸鹽的信號傳導和轉運[121-124]。NLP7可結合與硝酸鹽信號傳導和硝酸鹽同化相關的基因。有趣的是，硝酸鹽并不能影響NLP7基因的表達水平，而是通過調節NLP7蛋白在細胞核中的留存實現NLP7蛋白的大量累積[124]。此外，植物中存在一種CPSF蛋白，這種蛋白有2種剪切形式：CPSF30-S和CPSF30-L，其中CPSL30-L能夠通過調節NPF63/NRT1.1參與植物硝酸鹽信號的調控。此外，轉錄組分析發現，在cpsf30突變體中，許多氮轉運及同化相關基因的表達水平發生了明顯的變化，說明該蛋白對于調控硝酸鹽信號通路具有重要的作用[125]。

研究表明，銨鹽可以通過依賴時間或者濃度變化的形式調控AMT蛋白的磷酸化，從而影響其功能。進一步研究表明，擬南芥中的AtAMT1;1和AtAMT1;2能夠被CIPK23磷酸化，從而抑制銨鹽的吸收和轉運，以避免植物細胞的銨中毒[126-127]。大量研究表明，硝酸鹽和銨鹽會對彼此的吸收、同化、分配產生影響，其分子機理在一定程度上得到了的解釋[67，128]。

除了硝酸鹽和銨鹽之外，氮轉運蛋白編碼基因的表達還受細胞和組織發育狀態的調節。同時，非生物或生物因素的影響，如光、鹽和干旱脅迫，線蟲或病原體攻擊等都會對轉運蛋白在基因或者蛋白水平上產生影響[32]。

氮轉運蛋白在植物氮素吸收和代謝中扮演著重要角色，然而，它們在轉錄或翻譯后如何相互影響，如何共同影響氮同化、儲存和反饋或前反饋路徑，現在尚未完全清楚，已有研究結果暗示可能存在核心調控能協調氮元素的分配。此外，研究表明，硝酸鹽和氨基酸轉運蛋白可能參與了植物激素在植物體內的運輸[129-130]，暗示氮素轉運蛋白介導的植物激素轉運可能也參與了氮素在運輸或分配中的調控。

6.2?整個植株水平上的氮元素遠距離信號系統

由于氮素在土壤中分布不均，因此植物具一套系統的長距離運輸機制，即當根系一側的氮缺乏時，氮元素豐富的另一側則會補償性地吸收更多的氮元素。由氮元素缺乏的根部產生的由根向莖移動的肽激素CEP（C-末端編碼肽）誘發了這種運輸機制。CEP能夠調控韌皮部特異性肽CEPD1和CEPD2作為長距離移動信號轉移到根部，并上調NRT2.1的表達水平，促進氮的吸收[131]。

7?作物改良應用

氮元素吸收、分配的遺傳調控和氮代謝的調控是提高作物產量和氮利用效率（NUE）的主要途徑[132]。研究者們希望通過超量表達相關基因以提高植物的氮利用效率，目前已取得了一定進展。例如，在水稻中超量表達高親和力的硝酸鹽轉運蛋白編碼基因OsNRT2.3b，能夠提高植物的氮利用效率，從而增加籽粒產量[133]。根據作物種類、當地栽培環境、最終產品（例如根、葉、果實或種子）及其用途（例如人類營養、動物飼料或生物燃料）的不同，制定有針對性的改進策略可能更有效。例如，利用OsNAR2.1基因的特異性啟動子控制的OsNRT2.1的過量表達會提高水稻地上部分生物量和籽粒產量[134]。在根中過量表達的大麥丙氨酸氨基轉移酶（AlaAT）編碼基因的油菜與非轉基因油菜相比，在氮源不充沛的條件下，可以提高植物對氮的利用效率，從而提高產量[135]。研究者們將豌豆來源的PvAAP1基因置于其啟動子控制下轉入豌豆，與野生型對照相比，轉基因豌豆的氮元素運輸能力得到了顯著提高，從而增加了其種子的產量[113]。也有研究者嘗試在豌豆種子中特異表達氨基酸轉運蛋白編碼基因VfAAP1，結果發現轉基因植株種子的大小以及氮含量明顯提高，但是單株植物的種子產量卻沒有明顯變化[136]。值得一提的是，研究者們也試圖通過提高銨鹽轉運蛋白編碼基因的表達來促進植物的生長。例如，超量表達OsAMT1;1能夠在適量銨鹽或者低銨鹽的條件下促進水稻的生長，但是在銨鹽濃度過高的環境中卻因為在水稻根系中大量累積銨鹽從而影響其生長發育。此外，超量表達OsAMT1;3的水稻中氮吸收轉運能力呈下降趨勢[137-139]。

8?總結

氮是植物體內重要的營養因子和信號物質，對于植物生長發育具有重要的作用。為適應外界氮元素含量的變化，植物演化出了一套復雜的調控網絡。近年來，無機氮的運輸、代謝及其調控的研究取得了長足的進展。盡管氨基酸和脲是氮元素長距離運輸的主要形式，但是對于有機氮的相關研究卻相對較少。不同類型的氮素轉運蛋白在氨基酸和脲的源-庫分配中的轉運對于氮的獲取、源的新陳代謝和庫的強度具有非常重要的作用。比如，氨基酸（或脲）的積累對于無機氮轉運蛋白的表達具有負向反饋作用，這種負反饋可以通過增加有機氮向庫運輸的通量來避免，但是這種負反饋作用仍有許多細節需要進一步完善。

氮素轉運蛋白作為氮吸收、轉運、同化等過程的重要參與者，一直是研究的熱點，其功能已經在許多植物中得到鑒定。目前，筆者所知道的大量氮素轉運蛋白主要承擔了植物根部氮素的吸收和轉運，對植物地上部分參與氮素分配和再活化、利用，特別是在生殖生長階段促進源-庫互作的轉運蛋白了解很少。這部分知識的缺失，使得我們尚不能構建出完整的氮素吸收和利用的調控網絡，但這卻為未來的研究指出了方向。

植物的氮利用效率受到作物物種（亞種）、植株發育水平、環境等多種復雜因素的影響，這對研究者進行作物的氮高效利用遺傳改良提出了挑戰。進行作物改良時，需要盡可能兼顧無機氮和有機氮轉運系統，如它們表達的時空性和相互關系，以精細調節氮吸收、代謝、瞬時儲存和整株植物分配。現代生物技術的發展，包括全基因組關聯分析、（GWAS）高通量測序、代謝組學、蛋白組學和表型組學，將有助于研究者進一步理解和整合氮分配過程中源和庫的關系，并選擇最有希望的候選者，通過基因聚合育種的方式培育出能夠高效利用氮元素的“完美”作物。

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