水稻氮同化相關基因及氮高效利用水稻株型研究進展

申林虎

摘 ? ?要：提高水稻氮素利用率、減少氮肥投入一直是水稻種植者不懈追求的目標，充分發揮氮高效基因的作用可以提高氮素利用率。文章綜述了水稻氮素同化相關基因的研究進展，總結了氮高效利用植株的形態及未來展望。

關鍵詞：水稻；氮同化；氮素利用率；株型

文章編號：1005-2690（2023）07-0024-03 ? ? ? 中國圖書分類號：S511 ? ? ? 文獻標志碼：B

氮素是影響作物產量的主要因素之一，第一次綠色革命極大地提高了水稻的產量，但也伴隨著氮肥大量投入。投入的氮肥只有一小部分被用于水稻生長發育，大部分流失到環境中，并對環境造成危害。因此，了解水稻同化的相關基因，充分發揮其在氮素利用率中的作用，對培育出氮高效水稻植株具有重要意義。

1 水稻氮素同化的相關基因

1.1 硝態氮同化的相關基因

硝酸還原酶（NR）和亞硝酸鹽還原酶（NiR）在硝酸鹽還原為氨的過程中發揮重要作用。其中，OsNR1.2編碼了一個依賴NADH的硝酸鹽還原酶，OsNR1.2能控制水稻對硝酸鹽同化，敲除OsNR1.2的突變體植株具有抗氯酸鹽特征[1]。另外，其上游耐旱負調控轉錄基因DST在硝酸鹽同化中也發揮了重要作用。DST是水稻中發現的一種鋅指轉錄因子，在低濃度硝酸鹽供應條件下，可以通過直接激活硝酸還原酶編碼基因OsNR1.2的表達來調控水稻硝酸鹽同化。其作用機理為：在干旱脅迫等環境壓力下，水稻氣孔關閉，導致葉片中細胞內CO2濃度降低，從而抑制碳同化，碳和氮代謝途徑具有耦合效應，氣孔關閉也會導致氮代謝的重新編程[2]。另外，低濃度硝酸鹽供應條件下，耐旱水稻DST基因突變體分蘗數減少，產量下降，硝酸根還原酶活性降低，但植物體中硝酸根含量反而增加，表明DST是通過促進硝酸根的同化來提高水稻氮素利用率。

OsNR2編碼一個依賴NAD（P）H-的硝酸還原酶，將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。其表達在水稻地上花、葉、根的維管組織和幼根伸長區中。秈稻與粳稻OsNR2等位基因的差異使秈稻比粳稻具有更高的氮同化效率，這主要是秈稻和粳稻OsNR2的NAD（P）結合域的差異。另外，OsNR2等位基因也有很大差異，與轉空載體和過表達日本晴OsNR2基因的株系相比，過表達9311的OsNR2基因的轉基因株系硝酸還原酶活性更高，對硝酸鹽吸收能力也更強[3]。

OsNiR1編碼亞硝酸還原酶，亞硝酸還原酶催化亞硝酸鹽還原成銨，是硝酸鹽同化中的關鍵酶。而OsNLP4都能與亞硝酸還原酶基因OsNiR1啟動子區硝酸鹽順式作用元件NRE[4]結合并激活其表達，從而增強氮的吸收和同化。缺失OsNLP4的突變體分蘗數和株高顯著降低，氮素吸收和同化的基因如OsNiR1、OsNRT2.1、OsNRT1.1B和OsAMT2.1的轉錄豐度也降低。過表達OsNLP4水稻植株產量提高30％[5]，亞硝酸鹽還原酶活性顯著增加。另外，NLP家族的OsNLP3基因在氮源充足條件下起重要作用。在正常硝酸鹽供應條件下，OsNLP3突變體使OsNLP3基因的表達減少，進而影響游離硝酸鹽含量，而OsNLP3過表達系游離硝酸鹽含量較低，并且OsNLP3過表達植株NR活性增強，說明OsNLP3突變體的硝酸鹽同化作用受到了損害[6]。

1.2 銨態氮同化的相關基因

1.2.1 GS家族基因

GS/GOGAT循環是無機氮融入有機氮化合物的第一步，是控制氮素同化的一個重要循環。在高等植物中，谷氨酰胺合成酶（GS）是將氨同化為谷氨酰胺（Gln）的關鍵酶，GS與谷氨酸合成酶（GOGAT）發生反應，生成兩分子谷氨酸（Glu）。一個谷氨酸分子循環回到GS反應，另一個谷氨酸分子輸出或用于生產其他氨基酸。這一循環是植物正常生長條件下NH4+初級同化的唯一途徑。在水稻的生長發育過程中，需要3種同源但又明顯不同的編碼細胞質谷氨酰胺合成酶的基因，這3個基因分別是OsGS1;1、OsGS1;2、OsGS1;3。

OsGS1;1編碼的胞質谷氨酰胺合成酶，對水稻正常生長以及灌漿十分重要[7]，在NH4+限制條件下積累于表皮原、表皮和外胚層。當銨鹽作為水稻主要氮源時，OsGS1;1對整個代謝網絡的協調發揮著關鍵作用[8]。過表達OsGS1;1中高活性轉錄本OsGS1;1b提高氮吸收和同化效率，使直鏈淀粉含量降低，提高稻米品質[9]。

OsGS1;2在水稻根系對銨態氮的吸收及初級同化中起重要作用[10]，敲除OsGS1;2會引起NH4+初級同化發生紊亂，并且影響穗數、產量和分蘗發育。OsGS1;2編碼蛋白失活會極大地抑制韌皮部中NH4+的運輸以及腋芽對酰胺和蔗糖的利用[11]。如果再將OsGS1;2 cDNA及其自身啟動子重新導入敲除突變體中，則能使突變體的功能恢復正常[12]。

OsGS1;3基因主要在小穗中特異表達[13]，但其

mRNA相對豐度低于OsGS1;1和OsGS1;2在小穗中的表達。OsGS1;1和OsGS1;2的過表達都不能提高氮素利用率（NUE）和產量。其在根、莖和葉中氮的含量都較低，可能是其mRNA轉錄產物的累積影響了植株分蘗期和抽穗期的生長，使碳氮代謝失衡，導致水稻生長和產量下降。

1.2.2 GOGAT家族基因

GOGAT為GS1反應提供Glu，在水稻中已鑒定出3個分別編碼鐵氧化還原蛋白的基因：Fd-GOGAT、OsNADH-GOGAT1和OsNADH-GOGAT2。

OsNADH-GOGAT1主要在水稻根尖、發育中的葉片以及籽粒中表達，在水稻根系對氮素吸收和NH4+的初級同化中起著十分重要的作用，在缺乏OsNADH-GOGAT1的水稻突變體中，有效分蘗數量顯著少于正常植株[14]。

OsNADH-GOGAT2主要在成熟葉片和葉鞘中表達，并且對水稻葉片自然衰老過程中氮元素再利用起重要作用。敲除OsNADH-GOGAT2基因會導致每穗小穗數顯著減少，產量和生物量都降低，突變體衰老葉片中總氮量約為野生型植株的1/2。

Fd-GOGAT主要在葉片、根、穗的葉綠體中表達。Fd-GOGAT缺失突變體株高和分蘗數目顯著降低，突變體葉片表現出淡綠色表型，并伴隨著葉綠素水平降低和光合速率降低，抽穗期延遲，穗變短和分枝減少，每穗粒數降低，千粒重降低[15]。

2 高氮利用水稻株型

徐富賢等（2011）[16]認為，倒3葉長而窄、分蘗力強、結實率和生物產量高是水稻氮素利用率高的關鍵株型。Jia C等（2020）[17]認為，氮素利用率和葉綠素含量及光合速率有關，氮素利用率越高，其葉綠素含量越高，光合速率越快。另外，氮素利用率高的水稻幼苗根更長，可以更好地提高水稻根系對氮素的吸收效率[18]。在玉米、小麥等其他谷類作物中也證明，根系長度和直徑大小對于氮的獲取非常重要，并且根系面積與氮獲取量呈正相關。在栽培管理方面，通過適當增加插秧密度和減少施氮量，少量多次施用緩釋氮肥，可以提高水稻產量和氮素利用效率，營養管理與干濕交替灌溉等栽培手段也已經成為提高水稻NUE和產量的重要手段[19]。

3 結束語

充分了解氮素利用率相關基因，有助于實現低投入、高收獲的目標。隨著測序技術的發展，已完成水稻全基因組的測序工作，各功能基因的鑒定工作正在進行，基因編輯技術的出現給育種工作打開了一扇大門，讓更多優良基因得到充分利用。

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