植物中的铵根及硝酸根转运蛋白研究进展.docx
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植物中的铵根及硝酸根转运蛋白研究进展
第36卷第4期2012年7月
南京林业大学学报(自然科学版
JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalScienceEdition
Vol.36,No.4Jul.,2012
收稿日期:
2011-12-02修回日期:
2012-04-06
基金项目:
国家自然科学基金项目(30871727;高等学校博士学科点专项科研基金(20090014110014;国家高技术研究发展计划
(2011AA100201第一作者:
李静,硕士生。
*通信作者:
苏晓华,研究员。
E-mail:
suxh@caf.ac.cn。
沈应柏,教授。
E-mail:
ybshen@bjfu.edu.cn。
引文格式:
李静,张冰玉,苏晓华,等.植物中的铵根及硝酸根转运蛋白研究进展[
J].南京林业大学学报:
自然科学版,2012,36(4:
133-139.
植物中的铵根及硝酸根转运蛋白研究进展
李
静1,2,张冰玉3,苏晓华3*,沈应柏
1,2*
(1.北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;2.林木、花卉遗传育种教育部重点实验室,北京100083;
3.中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京100091
摘要:
氮素(N是植物需求量最大的营养元素,其利用率是影响植物生长和发育的主要因素。
氮
素的供需失衡会导致植物产量降低,过量施N肥还会造成环境破坏。
NH+4和NO-
3是可吸收利
用的主要氮源。
笔者分析了植物吸收NH+
4、
NO-3的转运蛋白及其相关基因的表达调控和功能的研究进展,认为在以后的研究中,应加强林木中与氮吸收相关基因的鉴定和认识,特别是加强氮
素信号传导途径、NO-3及NH+
4在植物体内的运输和调控机制、各蛋白组分间的相互作用、时间和空间表达模式和调控模式的研究。
关键词:
氮素;铵根转运蛋白;硝酸根转运蛋白中图分类号:
Q948文献标志码:
A
文章编号:
1000-2006(201204-0133-07
Researchprogressofammoniumandnitratetransportersinplants
LIJing1,2,ZHANGBingyu3,SUXiaohua3*,SHENYingbai1,
2*
(1.CollegeofBiologicalScienceandBiotechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2.KeyLaboratoryofGeneticsandBreedinginForestTreesandOrnamentalPlants,
MinistryofEducation,Beijing100083,China;3.KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China
Abstract:
Nitrogen(Nisthelargestdemandednutrientanditsavailabilityactasamajorfactorthatlimitsthegrowthanddevelopmentofplants.Imbalancenitrogensupplywillleadlowerproductionandexcessivefertilizationwillcauseen-vironmentaldamage.Ammoniumandnitrateisthemainsourceofnitrogenabsorptionandutilization.Thispaperana-lyzedtheresearchprogressofthetransportproteinsthatabsorbNH+4andNO-3,andtherelatedgenesexpression,regu-lationandfunctioninplants.Weshouldstrengthentheidentificationandunderstandingoftherelatedgenesofnitrogenuptakeintrees,especiallythepathwayofnitrogensignaltransduction,themechanismofnitrateandammoniumtrans-portationandregulationinplants,theinteractionbetweenproteinsandcomponents,theresearchabouttemporalandspatialexpressionpatternsandregulationmodes.
Keywords:
nitrogen;ammoniumtransporter;nitratetransporter
氮素是植物生长发育过程中必需的大量元素
之一,是植物体内核酸、蛋白质、酶等物质的主要组成成分,对作物最终产量的贡献为40%50%[1-2],常成为限制植物生长的主要因素。
研究植物氮素吸收利用规律对合理施肥及培育耐土壤低氮优良品种具有重要的意义。
植物吸收利用的氮素可分为NH+
4、
NO-3和有机氮3种主要形式。
在农业生产和绝大多数自然
环境下,铵盐和硝酸盐是植物吸收的主要无机氮
源[3]
。
植物根系通过位于质膜上的特定蛋白AMT(ammoniumtransporter吸收铵态氮。
NH+4的吸收
是逆浓度梯度需能量的主动转运过程[4],
NO-
3的吸收则是由NRT(nitratetransporter完成的。
植物通过感知自身的氮素水平来反馈调控相关过程。
南京林业大学学报(自然科学版第36卷
氮素的供需失衡会导致植物产量降低,过量施肥还
会造成环境破坏[5]。
植物中NH+4及NO-
3
转运蛋白研究主要集中
在拟南芥、水稻等草本模式植物中,在木本植物中的研究较少。
林木具有巨大的生态效益、经济效益和社会效益[6],研究木本植物氮素吸收利用机制已成为近年来相关领域的热点。
笔者分别总结了
近年来植物中NH+4及NO-
3
转运体(AMT和NRT
的结构、功能和表达调控方面的研究进展,并尽可能反映木本植物在氮素吸收利用方面的最新研究结果。
1铵根转运蛋白
铵离子是植物根系吸收的最为经济有效的一种氮素形式[4]。
一般情况下,旱地土壤中NO-3含量较高,而淹水环境中NH+
4
是主要的氮素存在形式[7]。
虽然土壤中硝态氮比铵态氮含量高得多,但很多植物优先选择同化耗能较低的铵态氮。
植物主要通过铵转运蛋白AMT来完成对铵根的吸收。
AMT属于AMT/Rh类蛋白,广泛存在于细菌、真菌和动植物中。
酵母和拟南芥中第1个编
码NH+
4
转运蛋白的基因是在1994年分别由Mari-ni和Ninnemann发现的[8]。
在植物中,AMT可以分为AMT1和AMT2两个子家族[9]。
AMT1子家族的成员中除了百脉根LjAMT1.1(Lotusjaponi-cas[10]外均不含内含子;而在AMT2子家族成员的基因序列中包含一些内含子。
依据AMT动力学
特性,NH+
4
的吸收可分为低亲和非饱和吸收(LATS和高亲和饱和吸收(HATS[2]。
HATS在
NH+
4
浓度<1mmol/L时占优势,依赖能量并且导致质膜的去极化[11-12];LATS则在NH+4浓度>1mmol/L时占优势[7,13-14]。
1.1铵根转运蛋白的结构和功能
植物AMT蛋白具有1011个跨膜区,N端在外,C端在胞内一侧。
一些植物AMT1子家族成员已经被广泛研究,包括拟南芥(Arabidopsisthali-anaAtAMT1.1、AtAMT1.2、AtAMT1.3[8],油菜(BrassicanapusBnAMT1.2[15],百脉根(Lotusja-ponicusLjAMT1.1、LjAMT1.2、LjAMT1.3[10,16],番茄(LycopersiconesculentumLeAMT1.1、LeAMT1.2、LeAMT1.3[11,17]和水稻(OryzasativaOsAMT1.1、Os-AMT1.2、OsAMT1.3[18]。
拟南芥基因组中有6个AMT基因,其中AtAMT1有5个成员,在氨基酸水平上的相似性达70%以上;而AMT2只有1个成员[7]。
AtAMT1.1编码1个高亲和力的转运体,米氏常数K
m
值为0.5μmol/L,AtAMT1.2和AtAMT1.3编码低亲和力
的转运体,K
m
值为2540μmol/L[8]。
位于叶绿体膜上的AtAMT1.1和AtAMT1.2蛋白存在着一个N端转运肽[4]。
水稻基因组中有10个AMT基因,其中OsAMT1、OsAMT2和OsAMT3各有3个成员,OsAMT4只有1个成员[7]。
OsAMT1s属于AMT1家族,包含11个可能的跨膜结构域[18]。
而木本植物全基因组测序晚于草本植物,故在氮素吸收分子方面的研究起步较晚。
2004年发表了第1个树种毛果杨(Populustrichocarpa的全基因组序列[19]。
在P.trichocarpa基因组中发现了14个AMT基因,分属AMT1子家族(6个基因和AMT2子家族(8个基因。
不同杨树品种中的AMT基因和AMT蛋白序列分别有97.7%和96.9%相似度,杨树的AMT蛋白可能有911个跨膜结构域[12,20]。
其中PtAMT1.2是高亲和力的
NH+
4
转运体(K
m,NH+4
=11μmol/L,可能是部分负
责在杨树中检测到的高亲和力NH+
4
吸收组件[21]。
1.2铵根转运蛋白的表达调控
1.2.1氮营养的调控
在拟南芥中,氮饥饿几小时后AtAMT1.1的表达量增加,随着缺氮时间延长,AtAMT1.2、AtAMT1.3和AtAMT2的表达水平也发生改变[4]。
在番茄中LeAMT1.1的表达受铵抑制,但LeAMT1.2的表达受铵诱导[3]。
水稻中OsAMT2.1和OsAMT2.2可以被低浓度铵根所诱导[22],Os-AMT1.3也表现为氮胁迫诱导的特性。
OsAMT1.2受铵根诱导,表现为丰氮激活表达的特征[18]。
而在杨树中,在氮饥饿开始的短时间内PtAMT1.2在根中强烈地增加,在氮饥饿9d时下降,重新供氮后又增加。
PttAMT1.2(P.tremulaˑtremuloides对甲胺和铵根有同样的亲和力并且编
码1个高亲和力NH+
4
转运体,受氮素浓度的影响[23-24],与2mmol/L氮水平相比,NH+4浓度在10μmol/L和100μmol/L时转录水平提高4倍[23]。
银白杨(P.tremulaˑalba在盐胁迫下,
只有在供给NO-
3
时,AMT1.2转录受一定影响[24]。
1.2.2表达部位
大部分AMT1子家族成员可在根中选择性表达[16-17]。
氮饥饿时拟南芥AtAMT1.1在根中表达,而氮充足供应时则在叶片中表达[25];AtAMT1.2、AtAMT1.3在根中表达[8];AtAMT2在茎中有高水平表达[26]。
番茄LeAMT1.1、LeAMT1.2在
431
第4期李静,等:
植物中的铵根及硝酸根转运蛋白研究进展
根和叶中均有表达[3],LeAMT1.3在叶中表达[27]。
油菜BnAMT1.2在地上部位表达[28]。
水稻Os-
AMT1.1在根和茎中组成表达,OsAMT1.2在中柱和
根尖细胞表面表达,OsAMT1.3为根特异性表达[18]。
在木本植物中,白杨高亲和力的PtAMT1.2在
根形成时强烈地增加[12]。
PttAMT1.2(P.tremulaˑ
tremuloides也表现出根特异性表达[23-24]。
PoptrAMT1.1和PoptrAMT1.3主要在叶中表达[23]。
梨树CoAMT1(PyruscommunisL.cv.Rocha基因
在生长的各个过程中都有表达,其中CoAMT1.1、
CoAMT1.2、CoAMT1.3全年中在根中都有表达[27]。
可见,植物种类不同,AMT表达部位有很大差异。
1.2.3昼夜变化和糖的影响
NH+
4
的吸收具有典型的昼夜变化规律。
光照
即将结束时,AtAMT1.3的表达量增加了3倍[8]。
AtAMT1.2表达水平也受昼夜变化的影响[28-29]。
番茄对NH+
4
的吸收规律与拟南芥的相反,
LeAMT1.3在有光条件下表达量很低,而在黑暗情
况下表达量高[3]。
糖水平也影响AMT的表达,蔗糖、果糖和葡萄
糖都可以对拟南芥的AMTs基因转录起调节
作用[29]。
Couturier等[12]研究表明,白杨中PtAMT-
1.1、PtAMT1.2、PtAMT1.6和PtAMT2.1的转录水
平也强烈地受昼夜变化和糖含量的影响。
其中根
特异性的PtAMT1.2和叶特异性的PtAMT1.6昼夜
变化规律表现得尤为明显。
根中可溶性糖的含量
在光照结束时达到最大,随着黑夜的结束含量
下降。
1.2.4衰老与器官发育
AMT家族在叶子衰老、光呼吸时NH+
4
再循环
中起作用[17,30]。
Mota等[27]研究发现,在梨树中涉
及不同的NH+
4
吸收,同样也可能涉及在叶子衰老
和光呼吸时的铵根再循环。
白杨PtAMT3.1在开
始衰老的叶子里表达,而PtAMT1.5在雄蕊里特异
性表达,PtAMT1.6在雌花中表达,表明它们对白杨
繁殖器官发育起关键作用[12]。
1.2.5酚类代谢和交替氧化酶
熊君等[31]研究表明,低氮胁迫能增强水稻化
感抑草能力,这与其体内酚类物质合成代谢增强有
关。
另外,NH+
4
吸收对交替氧化酶的表达也有一
定作用。
Hachiya等[32]发现高浓度的铵会增加拟
南芥植株呼吸速率(ammonium-dependentrespirato-
ryincrease,ARI,而在氮源为NO-3时交替氧化酶
表达被抑制。
在木本植物中未见这方面的研究报道。
1.2.6其他代谢途径
植物激素、蛋白磷酸化[7]、NO-3、CO[4]2、K+、共生菌、pH、环境等也可调控植物中AMT基因的表达及蛋白活性。
赤霉酸可以促进香草、黑种草、芥末和土豆的氮素吸收[27]。
NH+4-N吸收量随营养液中NO-3含量的增加而增加[33]。
Hoopen等[34]研究表明,
K+转运体和通道也可以转运NH+
4
。
当杨树的根系附着共生菌根时,PttAMT1.2(P.tremulaˑtremuloides在菌根形成过程表达量增加了4倍左右[23],表明共生菌根能促进高亲和力AMT的表达[4,35]。
树木表现出对NO-
3
和NH+
4
的偏好性与树种、
土壤属性(如NO-
3
和NH+
4
在土壤中的含量、土壤pH及土壤温度[36]有关。
贾慧君[37]研究表明,小叶杨在铵态氮营养下生长稍优。
梨树也选择吸
收铵态氮,铵根处理比NO-
3
处理有更高的氮利用效率[27]。
研究发现以某些针叶树种为代表的演替晚期的耐阴植物具有喜铵性,而能够适应干扰条件的植物则具有喜硝性[33]。
2硝酸根转运蛋白
硝酸盐不仅是植物生长必需的营养物质,也可以作为一种信号调节根冠比和调节根系统的形态[38-40]。
硝态氮在液泡内是重要的渗透调节物质,有利于叶片的伸长[2]。
硝态氮在生态系统中的总量为铵态氮的101000倍,所以除了部分针叶林系统外,硝态氮是优先被利用的氮源[41]。
植物根系对NO-
3
的吸收是一个2H+/1NO-3同向转运的主动吸收过程,由跨质膜的质子电化学梯度提供能量。
根据动力学特征不同,可分为高亲和力转运系统(HATS,high-affinitynitratetransportsystem和低亲和力转运系统(LATS,low-affinitynitratetransportsystem。
HATS可以在低浓度下吸收硝酸根(<1mmol/L,LATS表现出线性动力学特征并且在外部硝酸根浓度>1mmol/L时变得显著[40]。
HATS又可分为组成型(cHATS,constitu-tiveHATS和诱导型(iHATS,inducibleHATS。
cHATS基因表达一般不受NO-
3
影响,而iHATS基
因在接触NO-
3
后表达迅速增加,达到高峰后下降[42]。
NRT基因可分为NRT1和NRT2两个子家族[43-45]。
拟南芥中NRT1和NRT2家族成员分别531
南京林业大学学报(自然科学版第36卷
有50多个和7个;水稻中NRT1和NRT2家族成员
分别有100多个和6个[1]。
由于外界环境中NO-3
浓度较低,故对主要负责HATS的NRT2基因家族
的研究成为植物氮素吸收研究的焦点。
2.1硝酸根转运蛋白的结构和功能
NRT2是在原核生物和真核生物中均存在的
NO-3-NO-
2
共转运蛋白(nitrate-nitrite-porter,
NNP家族。
光合植物NRT2蛋白具有保守性[45],一般含有500600个氨基酸,少数成员有6个跨膜区,多数具有12个跨膜区,每6个跨膜区为1组,中间由1个大的亲水环连接[7]。
在第2和第3个跨膜域之间和第4个跨膜域内部各含有1个保守序列,其拓扑结构中的C端、N端以及亲水环均位于胞质一侧[28]。
拟南芥AtNRT2.1/AtNAR2.1是两元件的高亲和力NO-
3
转运体系,两者都对iHATS有关键性作用[40,46],而且可能参与cHATS[40]。
Cai等[47]对水稻的NRT基因进行研究发现,OsNRT2.1和Os-NRT2.2的编码序列相同,由基因推测的蛋白序列与双子叶植物氮素吸收密切相关。
在木本植物中,Nakamura等[45]研究表明PpNRT2.1和PpNRT2.2(Prunuspersica(L.Batsch包含3个外显子和2个内含子,在基因编码区有99%的相似性,但是在3'端非编码区只有40%的相似性;PpNRT2.1和PpNRT2.2的氨基酸序列有99.1%的同源性并且同其他植物的NRT2s有44%90%同源性。
PpNRT2.1和PpNRT2.2编码分子质量约为57ku、包含530个氨基酸的多肽,有12个假定的跨膜结构域和1个长的亲水C端。
PpNRT2.1和PpNRT2.2有2个保守的丝氨酸残基,一个在第11个跨膜结构域之前,另外一个在C末端,这些丝氨酸残基是蛋白激酶C磷酸化的潜在结合位点。
2.2硝酸根转运蛋白的表达调控
2.2.1氮营养的调控
微阵列分析表明,NO-
3
诱导111个基因下调,
3个基因上调2倍;当植物刚供给NO-3时,与NO-3
吸收相关的基因(NRT、NIA、NiR就迅速地被诱导[48]。
外部低NO-3浓度和突然的氮饥饿强烈地诱导拟南芥AtNRT2.1的上调表达[40,45,49-50],但并不诱导BnNRT2的表达[51]。
Cai等[47]对水稻的研究发现,在去除氮素后加入硝酸根时,OsNRT2.1缓慢增加,在24h后达到最高;而OsNRT2.2的转录很快上调并且在12h达到最高;OsNRT2.4在氮素供应的0.51h后增加。
在木本植物中,随着供氮强度的增加,白桦对NO-
3
-N和NH+
4
-N的吸收能力增强[33]。
当给氮
饥饿的桃树重新供给100μmol/L的NO-3
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