NRT1.1A参与水稻硝酸盐代谢反馈调控的功能研究

• 作 者: 王威
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 水稻 NRT1.1A基因 硝酸盐 转运蛋白 反馈调控

氮是植物需求量最大的矿质营养元素，而硝酸盐是土壤中最为丰富的无机氮源。植物对硝酸盐的吸收、转运和储存主要靠硝酸盐转运蛋白来完成。硝酸盐转运蛋白也是提高硝酸盐利用效率和作物产量等遗传改良研究的重要研究对象。目前，在双子叶模式植物拟南芥中，已鉴定到多个硝酸盐转运蛋白，它们广泛参与了硝酸盐的吸收、转运、再利用等诸多生理过程。水稻作为重要的粮食作物，世界上约有1/3的人口以水稻为主食。然而，对水稻中硝酸盐转运蛋白的鉴定和功能研究却非常有限，对其作用机制还知之甚少。　　CHL1(AtNRT1.1)是一个定位在细胞膜上的具有双亲活性的硝酸盐转运蛋白，同时它还作为硝酸盐的感受器介导了硝酸盐的信号转导。生物信息学预测表明，水稻基因组中存在3个CHL1同源基因，分别命名为NRT1.1A、NRT1.1B及NRT1.1C。较高的蛋白序列相似性暗示它们在功能上可能具有冗余性。然而，我们发现NRT1.1A、B、C表现出不同的亚细胞定位模式。其中，NRT1.1B定位于细胞膜，且我们的研究也证明它具有与CHL1类似的功能。NRT1.1A与NRT1.1C则定位于液泡膜，暗示它们在硝酸盐的利用中具有不同于CHL1的功能。相比NRT1.1B及NRT1.1C，NRT1.1A与CHL1具有更高的蛋白序列相似性，但其功能依然未知。本论文以NRT1.1A为研究对象，通过对其蛋白特性及功能丧失突变体的系统研究，以揭示其在水稻硝酸盐利用中的作用。　　爪蟾卵母细胞的硝酸盐体外转运实验表明，NRT1.1A具有体外硝酸盐转运活性。不同于CHL1，NRT1.1A的表达并不受到硝酸盐的诱导，且在较高硝酸盐浓度下受到抑制。水稻原生质体NRT1.1A-eGFP荧光观察及免疫金标定位分析都证明，NRT1.1A定位在液泡膜上。NRT1.1Apromoter∷GUS转基因植株染色表明，NRT1.1A主要在薄壁细胞及维管组织中表达。水稻中NRT1.1A功能丧失突变体（nrt1.1a）由根部向地上部的硝酸盐转运受到抑制，且多个硝酸盐转运蛋白基因表达也受到严重抑制。鉴于NRT1.1A液泡膜定位的模式，其功能丧失可能抑制硝酸盐向液泡内的转运，从而导致细胞质中硝酸盐积累而引起反馈抑制。在硝酸盐饥饿条件下，nrt1.1a突变体中硝酸盐向地上部的转运及硝酸盐转运蛋白基因的表达抑制被解除，也验证了我们的上述推论。进一步研究发现，水稻中多个参与硝酸盐利用的重要组分，例如硝酸盐转运蛋白、硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶等基因的表达同样会受到硝酸盐的反馈调控，且它们在nrt1.1a突变体中的表达也受到显著抑制。上述结果表明，NRT1.1A可能参与液泡介导的对硝酸盐利用的反馈调控。此外，NRT1.1A过表达会引起硝酸盐利用相关基因表达升高，而过表达植株表现出显著的生长优势。这些结果暗示，NRT1.1A对提高水稻氮利用效率具有潜在的应用价值。