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植物营养分子遗传学研究团队揭示菌根共生介导的植物氮素转运途径

发布时间:2020-06-26 点击次数:

近日,美国国家科学院院刊《PNAS》在线发表了我院徐国华教授团队的题为“Functional analysis of the OsNPF4.5 nitrate transporter reveals a conserved mycorrhizal pathway of nitrogen acquisition in plants”的研究论文。通过对菌根共生促进植物氮素吸收效率的科学评价和分子机制的解析(图1),该论文首次揭示了至少在禾本科作物中存在高度保守、高效的菌根硝酸盐吸收途径。该研究成果为将来利用菌根共生系统提高植物氮素利用效率提供了理论依据和技术支撑

图1. 硝酸盐转运蛋白NPF4.5参与菌根共生途径硝酸盐吸收

菌根真菌是土壤中一类古老的有益真菌,能够与地球上90%以上的陆地植物的根系形成“菌根”互惠共生体,促进植物对土壤中水分和养分的吸收利用,并提高植物抵御生物和非生物胁迫的能力。因此,研究菌根共生不仅可以揭示植物对环境适应的演化机制,而且对于提高资源利用效率,减少化肥施用,保护生态环境和促进农业可持续发展具有重要的意义。

氮和磷是农业生产中需求最大的两大必需营养元素。之前菌根共生提高植物对土壤磷素的吸收利用及其作用机制较为明确,也有间接证据显示菌根真菌可以从土壤中吸收铵态氮并传递给植物。然而,在绝大多数的旱地土壤中,硝态氮是最主要的无机氮素形态,因此,宿主植物如何从菌根真菌获取氮素并促进对土壤氮素的吸收利用一直不清楚。该研究发现与低磷有利于菌根共生相反,提供适度的硝态氮能够促进旱作水稻菌根共生效率。通过15NO3-标记发现,水稻通过菌根真菌(菌根途径)吸收的氮占到总氮的40%以上。采用转录组测序发现,NPF4.5及其同源基因在水稻、玉米和高粱菌根中被强烈特异诱导表达。通过在异源体系功能验证和NPF4.5基因的敲除分析,明确了水稻OsNPF4.5是一个低亲和硝酸盐转运蛋白,发现菌根途径贡献的氮大约有45%通过NPF4.5转运。增强NPF4.5表达丰度可以显著促进水稻生长和提高氮素吸收效率。

该研究由植物营养分子遗传课题组主导完成,美国德州理工大学合作参与了部分研究工作。王双双博士生和陈爱群教授为共同第一作者,陈爱群教授、徐国华教授和Luis Herrera-Estrella教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

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