水稻氮同化相關(guān)基因及氮高效利用水稻株型研究進(jìn)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(biāo)，充分發(fā)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(guān)基因的研究進(jìn)展，總結(jié)了氮高效利用植株的形態(tài)及未來(lái)展望。

關(guān)鍵詞：水稻；氮同化；氮素利用率；株型

文章編號(hào)：1005-2690（2023）07-0024-03 ? ? ? 中國(guó)圖書分類號(hào)：S511 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

氮素是影響作物產(chǎn)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(chǎn)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(zhǎng)發(fā)育，大部分流失到環(huán)境中，并對(duì)環(huán)境造成危害。因此，了解水稻同化的相關(guān)基因，充分發(fā)揮其在氮素利用率中的作用，對(duì)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(guān)基因

1.1 硝態(tài)氮同化的相關(guān)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(guò)程中發(fā)揮重要作用。其中，OsNR1.2編碼了一個(gè)依賴NADH的硝酸鹽還原酶，OsNR1.2能控制水稻對(duì)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(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄基因DST在硝酸鹽同化中也發(fā)揮了重要作用。DST是水稻中發(fā)現(xiàn)的一種鋅指轉(zhuǎn)錄因子，在低濃度硝酸鹽供應(yīng)條件下，可以通過(guò)直接激活硝酸還原酶編碼基因OsNR1.2的表達(dá)來(lái)調(diào)控水稻硝酸鹽同化。其作用機(jī)理為：在干旱脅迫等環(huán)境壓力下，水稻氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致葉片中細(xì)胞內(nèi)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(yīng)，氣孔關(guān)閉也會(huì)導(dǎo)致氮代謝的重新編程[2]。另外，低濃度硝酸鹽供應(yīng)條件下，耐旱水稻DST基因突變體分蘗數(shù)減少，產(chǎn)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(guò)促進(jìn)硝酸根的同化來(lái)提高水稻氮素利用率。

OsNR2編碼一個(gè)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(dá)在水稻地上花、葉、根的維管組織和幼根伸長(zhǎng)區(qū)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(jié)合域的差異。另外，OsNR2等位基因也有很大差異，與轉(zhuǎn)空載體和過(guò)表達(dá)日本晴OsNR2基因的株系相比，過(guò)表達(dá)9311的OsNR2基因的轉(zhuǎn)基因株系硝酸還原酶活性更高，對(duì)硝酸鹽吸收能力也更強(qiáng)[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(guān)鍵酶。而OsNLP4都能與亞硝酸還原酶基因OsNiR1啟動(dòng)子區(qū)硝酸鹽順式作用元件NRE[4]結(jié)合并激活其表達(dá)，從而增強(qiáng)氮的吸收和同化。缺失OsNLP4的突變體分蘗數(shù)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(zhuǎn)錄豐度也降低。過(guò)表達(dá)OsNLP4水稻植株產(chǎn)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(yīng)條件下，OsNLP3突變體使OsNLP3基因的表達(dá)減少，進(jìn)而影響游離硝酸鹽含量，而OsNLP3過(guò)表達(dá)系游離硝酸鹽含量較低，并且OsNLP3過(guò)表達(dá)植株NR活性增強(qiáng)，說(shuō)明OsNLP3突變體的硝酸鹽同化作用受到了損害[6]。

1.2 銨態(tài)氮同化的相關(guān)基因

1.2.1 GS家族基因

GS/GOGAT循環(huán)是無(wú)機(jī)氮融入有機(jī)氮化合物的第一步，是控制氮素同化的一個(gè)重要循環(huán)。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(guān)鍵酶，GS與谷氨酸合成酶（GOGAT）發(fā)生反應(yīng)，生成兩分子谷氨酸（Glu）。一個(gè)谷氨酸分子循環(huán)回到GS反應(yīng)，另一個(gè)谷氨酸分子輸出或用于生產(chǎn)其他氨基酸。這一循環(huán)是植物正常生長(zhǎng)條件下NH4+初級(jí)同化的唯一途徑。在水稻的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，需要3種同源但又明顯不同的編碼細(xì)胞質(zhì)谷氨酰胺合成酶的基因，這3個(gè)基因分別是OsGS1;1、OsGS1;2、OsGS1;3。

OsGS1;1編碼的胞質(zhì)谷氨酰胺合成酶，對(duì)水稻正常生長(zhǎng)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(dāng)銨鹽作為水稻主要氮源時(shí)，OsGS1;1對(duì)整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)發(fā)揮著關(guān)鍵作用[8]。過(guò)表達(dá)OsGS1;1中高活性轉(zhuǎn)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(zhì)[9]。

OsGS1;2在水稻根系對(duì)銨態(tài)氮的吸收及初級(jí)同化中起重要作用[10]，敲除OsGS1;2會(huì)引起NH4+初級(jí)同化發(fā)生紊亂，并且影響穗數(shù)、產(chǎn)量和分蘗發(fā)育。OsGS1;2編碼蛋白失活會(huì)極大地抑制韌皮部中NH4+的運(yùn)輸以及腋芽對(duì)酰胺和蔗糖的利用[11]。如果再將OsGS1;2 cDNA及其自身啟動(dòng)子重新導(dǎo)入敲除突變體中，則能使突變體的功能恢復(fù)正常[12]。

OsGS1;3基因主要在小穗中特異表達(dá)[13]，但其

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

1.2.2 GOGAT家族基因

GOGAT為GS1反應(yīng)提供Glu，在水稻中已鑒定出3個(gè)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(fā)育中的葉片以及籽粒中表達(dá)，在水稻根系對(duì)氮素吸收和NH4+的初級(jí)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(shù)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(dá)，并且對(duì)水稻葉片自然衰老過(guò)程中氮元素再利用起重要作用。敲除OsNADH-GOGAT2基因會(huì)導(dǎo)致每穗小穗數(shù)顯著減少，產(chǎn)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(dá)。Fd-GOGAT缺失突變體株高和分蘗數(shù)目顯著降低，突變體葉片表現(xiàn)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(shù)降低，千粒重降低[15]。

2 高氮利用水稻株型

徐富賢等（2011）[16]認(rèn)為，倒3葉長(zhǎng)而窄、分蘗力強(qiáng)、結(jié)實(shí)率和生物產(chǎn)量高是水稻氮素利用率高的關(guān)鍵株型。Jia C等（2020）[17]認(rèn)為，氮素利用率和葉綠素含量及光合速率有關(guān)，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(zhǎng)，可以更好地提高水稻根系對(duì)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(zhǎng)度和直徑大小對(duì)于氮的獲取非常重要，并且根系面積與氮獲取量呈正相關(guān)。在栽培管理方面，通過(guò)適當(dāng)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(chǎn)量和氮素利用效率，營(yíng)養(yǎng)管理與干濕交替灌溉等栽培手段也已經(jīng)成為提高水稻NUE和產(chǎn)量的重要手段[19]。

3 結(jié)束語(yǔ)

充分了解氮素利用率相關(guān)基因，有助于實(shí)現(xiàn)低投入、高收獲的目標(biāo)。隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，已完成水稻全基因組的測(cè)序工作，各功能基因的鑒定工作正在進(jìn)行，基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)給育種工作打開了一扇大門，讓更多優(yōu)良基因得到充分利用。

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