· 文 章 摘 要 ·

根系是植物吸收氮素的关键器官，主根、侧根、根毛等的数量和长度特征构成了不同植物、不同品种所特有的根系构型 (root system architecture，RSA)。对作物而言，能够灵敏感知根际氮素环境并及时做出适当调整的RSA是其氮素高效利用及高产的基础。因此，解析氮素影响RSA的遗传基础对作物氮素高效改良具有重要意义。本文总结了植物对局部氮信号及系统氮信号感知及传导的通路，系统归纳了拟南芥及主要作物中氮素调控RSA遗传基础的研究进展，为了更加系统精细的解析其遗传基础，需要利用无损的方式获得根系表型，利用单细胞技术对特定细胞类型中的基因功能进行解析，并深入探究表型、基因型和管理措施间的相互作用。

· 文 章 亮 点 ·

1. 植物根系构型可以响应环境中的氮素并做出调整。2. 氮和激素间存在复杂的调控，协同完成调控根系的发育。3. 单细胞等新兴技术的利用将有助于推动根系构型遗传基础的解析。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

氮素是植物生长所需的大量元素，农业生产上氮肥的使用是保障作物产量和全球粮食安全的基础。氮素在土壤中的分布往往是不均匀的，为了适应这种土壤环境，植物进化出一系列策略以保证自身的生长。例如，植物中硝酸盐转运蛋白可分为低亲和和高亲和两种类型，分别在硝酸盐浓度较高或较低时行使功能。此外，作为吸收营养的主要器官，根系在不同氮条件下的可塑性是植物应对不同氮环境的一种重要方式，这可称为氮依赖的根系构型 (root system architecture, RSA)。本文总结了不同氮条件下植物感知氮信号并调控根系构型的遗传基础，并展望了今后研究中值得关注的方向。

▎氮依赖的植物根系构型

土壤中氮素的种类、含量、分布以及植物体内氮状态均会影响根系构型。一般而言，铵盐会促进根系分枝，抑制根系伸长，硝酸盐则会促进根系伸长。与氮素充足的情况相比，极度缺氮会抑制根系生长，适度缺氮则会促进根系生长以提高氮素吸收能力。

▎植物中的氮信号通路植物中的局部硝酸盐信号主要由定位于细胞膜上的受体蛋白NRT1.1感知，通过促进NLP类转录因子进入细胞核，激活硝酸盐响应基因表达。不同植物中NRT1.1影响NLP入核的机制有所不同。拟南芥中AtNRT1.1通过促进NLP7磷酸化，促进其入核，水稻中OsNRT1.1B通过招募NBIP1泛素化降解SPX4，从而使被SPX4滞留在细胞质中的NLP3进入细胞核。 细胞分裂素、小肽在根和地上部分间的转运是氮信号长距离运输的重要方式。在根中NLP7激活的硝酸盐信号可以促进细胞分裂素的产生，细胞分裂素转运至地上部分后通过影响生长素转运蛋白的表达，调控生长素的分布，进而促进植物生长。地上部分细胞分裂素的响应过程同样会产生信号物质，转运至根部，调控根系发育。缺氮条件下，中柱鞘中CLE3表达量升高，并进入韧皮部伴胞与CLV1发生相互作用，将缺氮信号传递至下游组分，抑制侧根生长。此外，氮饥饿条件下的根部会有CEP产生，转运至地上部分后被受体CEPR1和CEPR2识别，诱导产生CEP DOWNSTREAM 1/2，经韧皮部转运至根部后，可以激活位于土壤含氮量丰富部位的根中NRT2.1的表达。此外，地上部分氮素含量低于一定阈值时，CEPD-like 2会被激活并转运到根中促进氮素吸收。▎氮素调控根系构型的遗传基础1. 氮素依赖的主根生长

铵盐会使主根伸长区生长素转变为非活性形式，从而抑制主根伸长。WRKY46可以直接抑制生长素失活相关基因的表达，缓解铵盐对根长的抑制作用。

硝酸盐对主根伸长的促进作用是

· 文 章 摘 要 ·

根系是植物吸收氮素的关键器官，主根、侧根、根毛等的数量和长度特征构成了不同植物、不同品种所特有的根系构型 (root system architecture，RSA)。对作物而言，能够灵敏感知根际氮素环境并及时做出适当调整的RSA是其氮素高效利用及高产的基础。因此，解析氮素影响RSA的遗传基础对作物氮素高效改良具有重要意义。本文总结了植物对局部氮信号及系统氮信号感知及传导的通路，系统归纳了拟南芥及主要作物中氮素调控RSA遗传基础的研究进展，为了更加系统精细的解析其遗传基础，需要利用无损的方式获得根系表型，利用单细胞技术对特定细胞类型中的基因功能进行解析，并深入探究表型、基因型和管理措施间的相互作用。

· 文 章 亮 点 ·

1. 植物根系构型可以响应环境中的氮素并做出调整。2. 氮和激素间存在复杂的调控，协同完成调控根系的发育。3. 单细胞等新兴技术的利用将有助于推动根系构型遗传基础的解析。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

氮素是植物生长所需的大量元素，农业生产上氮肥的使用是保障作物产量和全球粮食安全的基础。氮素在土壤中的分布往往是不均匀的，为了适应这种土壤环境，植物进化出一系列策略以保证自身的生长。例如，植物中硝酸盐转运蛋白可分为低亲和和高亲和两种类型，分别在硝酸盐浓度较高或较低时行使功能。此外，作为吸收营养的主要器官，根系在不同氮条件下的可塑性是植物应对不同氮环境的一种重要方式，这可称为氮依赖的根系构型 (root system architecture, RSA)。本文总结了不同氮条件下植物感知氮信号并调控根系构型的遗传基础，并展望了今后研究中值得关注的方向。

▎氮依赖的植物根系构型

土壤中氮素的种类、含量、分布以及植物体内氮状态均会影响根系构型。一般而言，铵盐会促进根系分枝，抑制根系伸长，硝酸盐则会促进根系伸长。与氮素充足的情况相比，极度缺氮会抑制根系生长，适度缺氮则会促进根系生长以提高氮素吸收能力。

▎植物中的氮信号通路植物中的局部硝酸盐信号主要由定位于细胞膜上的受体蛋白NRT1.1感知，通过促进NLP类转录因子进入细胞核，激活硝酸盐响应基因表达。不同植物中NRT1.1影响NLP入核的机制有所不同。拟南芥中AtNRT1.1通过促进NLP7磷酸化，促进其入核，水稻中OsNRT1.1B通过招募NBIP1泛素化降解SPX4，从而使被SPX4滞留在细胞质中的NLP3进入细胞核。 细胞分裂素、小肽在根和地上部分间的转运是氮信号长距离运输的重要方式。在根中NLP7激活的硝酸盐信号可以促进细胞分裂素的产生，细胞分裂素转运至地上部分后通过影响生长素转运蛋白的表达，调控生长素的分布，进而促进植物生长。地上部分细胞分裂素的响应过程同样会产生信号物质，转运至根部，调控根系发育。缺氮条件下，中柱鞘中CLE3表达量升高，并进入韧皮部伴胞与CLV1发生相互作用，将缺氮信号传递至下游组分，抑制侧根生长。此外，氮饥饿条件下的根部会有CEP产生，转运至地上部分后被受体CEPR1和CEPR2识别，诱导产生CEP DOWNSTREAM 1/2，经韧皮部转运至根部后，可以激活位于土壤含氮量丰富部位的根中NRT2.1的表达。此外，地上部分氮素含量低于一定阈值时，CEPD-like 2会被激活并转运到根中促进氮素吸收。▎氮素调控根系构型的遗传基础1. 氮素依赖的主根生长

铵盐会使主根伸长区生长素转变为非活性形式，从而抑制主根伸长。WRKY46可以直接抑制生长素失活相关基因的表达，缓解铵盐对根长的抑制作用。

硝酸盐对主根伸长的促进作用是通过调控根中的生长素、脱落酸 (ABA) 和油菜素内酯 (BR) 实现的。硝酸盐可以促进生长素转运蛋白PIN2去磷酸化和其极性定位，影响生长素的分布，此外，microRNA393和生长素受体蛋白AFB3协同调控硝酸盐依赖的主根生长。硝酸盐可以激活BG1基因的表达，提高根中活性ABA含量，促进主根生长。轻度氮缺乏时，油菜素内酯受体基因BRI1-ASSOCIATED RECPTOR KINASE 1和合成基因DWARF1表达量升高，促进根系生长。BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE3是调控低氮条件下根系生长的关键因子，此外，CALMODULIN-LIKE-8可以与PEP1 RECEPTOR 2发生相互作用，通过整合BR信号和硝酸盐信号调控低氮条件下的根系发育。

2. 氮素依赖的侧根生长铵盐会抑制侧根伸长但促进侧根分枝。铵盐的吸收伴随着质子外排，造成质外体酸化，使得生长素质子化，进而被生长素转运蛋白AUX1和LAX3转运至侧根原基外侧的表皮细胞，通过激活细胞壁重塑相关基因表达，使细胞壁松弛，减少侧根外伸的机械阻力。无氮或低硝条件下，NRT1.1会将生长素转运出侧根原基及新生侧根根尖，并抑制生长素合成基因TAR2及生长素内流基因LAX3表达，造成局部生长素含量降低，抑制侧根生长。此外，NRT1.1可以和受体激酶QSK1、质子泵AHA2在细胞膜上形成复合体，使得AHA2活性降低，抑制质子外排，降低了质外体酸化对根生长的促进作用。轻度氮缺乏时，NRT1.1的生长素转运活性受到抑制，生长素合成基因TAR2、YUC8和TAA1表达受到诱导，均使得生长素在侧根积累。OBP4-XTH9是生长素响应因子ARF7、ARF19下游的响应模块，XTH9激活侧根生长，OBP4可以直接抑制XTH9基因的表达。3. 氮素依赖的根毛生长细胞质中铵离子含量与根毛生长密切相关，一个液泡膜定位的蛋白激酶对于维持这个过程起到重要作用。低氮条件下，TAA1和YUC8表达的激活使得根尖生长素含量得到提升，生长素转运蛋白AUX1和PIN2将生长素转运至根毛分化区域，进而通过生长素响应因子ARF6和ARF8激活RHD6和LRL3的表达，从而促进根毛生长。4. 作物中氮素调控根系构型的基因水稻中NAR2.1和NIT1、NIT2的互作增加了生长素的合成，促进了根系生长。RNR10通过维护DULL NITROGEN RESPONSE1蛋白稳定性抑制生长素合成，RNR10突变后会增强根系的氮响应。玉米中ARF19可以激活AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID14表达，抑制根生长，NLP3.2可以与ARF19直接互作，抑制其对下游基因的激活，促进根系生长。小麦中TaTAR2.1通过调控生长素合成影响侧根生长。独脚金内酯与根系发育也存在密切联系。硝酸盐存在时，独脚金内酯信号通路关键组分D53发生降解，使得被抑制的SPL14、SPL17得以释放，从而激活OsPIN1b的表达，促进根伸长。MicroRNA444通过调控MADS家族转录因子，调控水稻根系对硝酸盐和铵盐的响应。根瘤的固氮作用是豆科植物氮素利用的重要策略。高硝酸盐条件下，大豆中NIC1a/b可以直接激活NLP1和NLP4的表达，促进硝酸盐吸收，但固氮作用受到抑制。过量表达GmGLP20.4不仅可以增加根瘤的发生，还可以促进主根伸长和侧根密度。

· 展 望 ·

目前，关于氮素调控根系构型的研究主要以拟南芥为研究对象，在作物中的研究相对较少，仅有少数能够提高田间氮肥利用率的位点得到了验证。其中一个原因是很难实现对作物根系田间表型的无损收集，而计算机断层成像技术的发展与利用使之成为现实，将极大地推动相关基因的挖掘。另一个原因是很多基因的功能行使往往具有细胞特异性，而常规研究往往将整条根作为研究对象，这可能会稀释掉部分基因的功能，单细胞技术的发展将为这一问题提供解决方案。此外，管理措施会在很大程度上影响作物根系生长，挖掘其遗传机制，将有助于理解表型、环境型及管理措施的内在联系，有助于发挥作物产量的最大潜力。

通过调控根中的生长素、脱落酸 (ABA) 和油菜素内酯 (BR) 实现的。硝酸盐可以促进生长素转运蛋白PIN2去磷酸化和其极性定位，影响生长素的分布，此外，microRNA393和生长素受体蛋白AFB3协同调控硝酸盐依赖的主根生长。硝酸盐可以激活BG1基因的表达，提高根中活性ABA含量，促进主根生长。轻度氮缺乏时，油菜素内酯受体基因BRI1-ASSOCIATED RECPTOR KINASE 1和合成基因DWARF1表达量升高，促进根系生长。BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE3是调控低氮条件下根系生长的关键因子，此外，CALMODULIN-LIKE-8可以与PEP1 RECEPTOR 2发生相互作用，通过整合BR信号和硝酸盐信号调控低氮条件下的根系发育。

2. 氮素依赖的侧根生长铵盐会抑制侧根伸长但促进侧根分枝。铵盐的吸收伴随着质子外排，造成质外体酸化，使得生长素质子化，进而被生长素转运蛋白AUX1和LAX3转运至侧根原基外侧的表皮细胞，通过激活细胞壁重塑相关基因表达，使细胞壁松弛，减少侧根外伸的机械阻力。无氮或低硝条件下，NRT1.1会将生长素转运出侧根原基及新生侧根根尖，并抑制生长素合成基因TAR2及生长素内流基因LAX3表达，造成局部生长素含量降低，抑制侧根生长。此外，NRT1.1可以和受体激酶QSK1、质子泵AHA2在细胞膜上形成复合体，使得AHA2活性降低，抑制质子外排，降低了质外体酸化对根生长的促进作用。轻度氮缺乏时，NRT1.1的生长素转运活性受到抑制，生长素合成基因TAR2、YUC8和TAA1表达受到诱导，均使得生长素在侧根积累。OBP4-XTH9是生长素响应因子ARF7、ARF19下游的响应模块，XTH9激活侧根生长，OBP4可以直接抑制XTH9基因的表达。3. 氮素依赖的根毛生长细胞质中铵离子含量与根毛生长密切相关，一个液泡膜定位的蛋白激酶对于维持这个过程起到重要作用。低氮条件下，TAA1和YUC8表达的激活使得根尖生长素含量得到提升，生长素转运蛋白AUX1和PIN2将生长素转运至根毛分化区域，进而通过生长素响应因子ARF6和ARF8激活RHD6和LRL3的表达，从而促进根毛生长。4. 作物中氮素调控根系构型的基因水稻中NAR2.1和NIT1、NIT2的互作增加了生长素的合成，促进了根系生长。RNR10通过维护DULL NITROGEN RESPONSE1蛋白稳定性抑制生长素合成，RNR10突变后会增强根系的氮响应。玉米中ARF19可以激活AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID14表达，抑制根生长，NLP3.2可以与ARF19直接互作，抑制其对下游基因的激活，促进根系生长。小麦中TaTAR2.1通过调控生长素合成影响侧根生长。独脚金内酯与根系发育也存在密切联系。硝酸盐存在时，独脚金内酯信号通路关键组分D53发生降解，使得被抑制的SPL14、SPL17得以释放，从而激活OsPIN1b的表达，促进根伸长。MicroRNA444通过调控MADS家族转录因子，调控水稻根系对硝酸盐和铵盐的响应。根瘤的固氮作用是豆科植物氮素利用的重要策略。高硝酸盐条件下，大豆中NIC1a/b可以直接激活NLP1和NLP4的表达，促进硝酸盐吸收，但固氮作用受到抑制。过量表达GmGLP20.4不仅可以增加根瘤的发生，还可以促进主根伸长和侧根密度。

· 展 望 ·

目前，关于氮素调控根系构型的研究主要以拟南芥为研究对象，在作物中的研究相对较少，仅有少数能够提高田间氮肥利用率的位点得到了验证。其中一个原因是很难实现对作物根系田间表型的无损收集，而计算机断层成像技术的发展与利用使之成为现实，将极大地推动相关基因的挖掘。另一个原因是很多基因的功能行使往往具有细胞特异性，而常规研究往往将整条根作为研究对象，这可能会稀释掉部分基因的功能，单细胞技术的发展将为这一问题提供解决方案。此外，管理措施会在很大程度上影响作物根系生长，挖掘其遗传机制，将有助于理解表型、环境型及管理措施的内在联系，有助于发挥作物产量的最大潜力。

来源: Engineering前沿