龔茵茵，燕 璐，林建中，劉選明

(湖南大學生物學院植物功能基因組學與發(fā)育調控湖南省重點實驗室，中國湖南長沙410082)

氮是氨基酸、蛋白質、核酸、植物激素、葉綠素的重要組分，是植物生長發(fā)育的必需元素之一，在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。植物的氮源主要來自土壤中的有機氮和無機氮，而有機含氮化合物大多數(shù)不是水溶性的，通常不能直接被利用，只有氨基酸、酰胺和尿素等水溶性的有機氮化合物能夠被吸收[1]。因此，以銨鹽(NH4+)和硝酸鹽(NO3-)為主要形式的無機氮是植物最主要的氮來源[2]。植物通過其特定的轉運蛋白以主動運輸?shù)姆绞綄H4+和NO3-等礦物質營養(yǎng)元素吸入體內。在長期進化過程中，植物根據(jù)環(huán)境和自身需求的不同，形成了對氮具有不同親和力的轉運蛋白和相應的調控機制[3]。另外，在不同的植物以及植物的不同生長階段，其對NH4+和NO3－的需求比例也不同。例如，水稻以吸收NH4+為主，且在幼穗分化期是氮的吸收高峰[4]。植物吸收的NH4+可直接參與合成氨基酸，但吸收的NO3－必須經過代謝還原轉變?yōu)镹H4+才能被利用[5]。因此，NH4+相對于NO3－在植物氮的同化利用中更有優(yōu)勢，研究植物體內NH4+的同化過程并提高其同化利用效率的工作意義重大。

在高等植物體內，NH4+的同化一般認為有兩條途徑:一條是NH4+由谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS；EC 6.3.1.2)/谷氨酸合成酶(glutamate synthase，GOGAT；EC 1.4.7.1)循環(huán)途徑合成谷氨酰胺(glutamine，Gln)；另一條途徑是 NH4+與 α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，2-OG)通過谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase，GDH；EC 1.4.1.2～4)的作用生成谷氨酸(glutamate，Glu)[6](圖1)。在高等植物中，由于GDH對NH4+的親和力較低，因此GS/GOGAT途徑是其NH4+同化的主要途徑，GDH途徑僅為輔助性支路途徑[2]。然而讓人驚訝的是，在低等生物(如細菌、真菌和低等藻類)中，其GDH對NH4+的親和力很高，在NH4+的同化中發(fā)揮著重要作用[7]。

圖1 植物氨同化代謝途徑GDH:谷氨酸脫氫酶；GS:谷氨酰胺合成酶；GOGAT:谷氨酸合成酶；TCA:三羧酸循環(huán)。Fig.1 Ammonia assimilation pathway in plantsGDH，glutamate dehydrogenase；GS，glutamine synthetase；GOGAT，glutamate synthase；TCA，tricarboxylic acid cycle.

隨著轉基因技術的廣泛應用，原有物種間的生殖隔離已被打破，外源基因的轉入成為可能。直接在基因水平進行植物的定向遺傳改造和功能研究，不僅發(fā)掘和鑒定了大量優(yōu)質基因，解析了其內在的生理和分子機理，而且為作物的遺傳育種提供了基因資源和理論指導。因此，將任意來源的優(yōu)質基因轉入作物以定向遺傳改造，為作物的遺傳性狀改良和優(yōu)良材料(品種)創(chuàng)制提供了新的思路和技術手段。由于低等生物的GDH對NH4+的親和力顯著高于高等植物，研究者們利用基因工程手段在作物中異源表達低等生物的GDH基因，提高作物的氮素利用率，以培育在低氮栽培條件下能夠高產或穩(wěn)產的作物新品種。其中一些作物新品種的耐逆性和品質由于低等生物GDH基因的轉入被顯著提高。本文對近年來在作物中異源表達低等生物GDH基因的相關研究進行綜述，并對該領域后續(xù)相關研究提出了進一步的展望。

1 GDH的生化特性

GDH是生物界中廣泛存在的一種多聚酶。目前已知的GDH可分為六聚體和四聚體兩大類。六聚體GDH分布極為廣泛，在細菌、真菌、高等動植物中均有報道，而四聚體GDH僅發(fā)現(xiàn)于幾種酵母中。植物體內的GDH以六聚體的形式存在，由α、β 亞基組成，共有 6α、5α:1β、4α:2β、3α:3β、2α:4β、1α:5β和6β等7種同工酶[8]。在NAD(P)H作為輔助因子的情況下，GDH催化2-OG與NH4+的可逆氨化生成Glu的反應:2-OG+NAD(P)H+NH4++H+?L-Glu+NAD(P)++H2O[9]。GDH因輔酶不同而分為NAD(H)依賴型GDH[NAD(H)-GDH；EC 1.4.1.2]和 NADP(H)依賴型 GDH[NADP(H)-GDH；EC 1.4.1.4]。NAD(H)-GDH主要存在于線粒體，在細胞質中也有發(fā)現(xiàn)[8]，而NADP(H)-GDH存在于線粒體和葉綠體[6]。水稻中共有4個GDH基因(OsGDH1、OsGDH2、OsGDH3 和 OsGDH4)，除 OsGDH4 編碼的蛋白質屬于NADP(H)-GDH外，其余基因編碼的蛋白質均屬于NAD(H)-GDH型[10]。

在高等植物中，GDH和GS都是最初同化NH4+的酶，但是GDH對NH4+的親和力比GS低，說明GDH只有在NH4+濃度較高時才能將其同化為谷氨酸[11]。因此，高等植物對NH4+的同化以GS/GOGAT途徑為主，而GDH途徑僅起輔助作用(圖1)。不同于高等植物，在低等生物中，GDH對NH4+的親和力較高[12]。例如，水稻OsGDH4對NH4+的米氏常數(shù)(Km)為(12.43±1.84)mmol/L，而稻瘟病菌(Magnaporthe grisea)的 MgGDH 對 NH4+的 Km為(0.67±0.05)mmol/L[10]，鮑魚菇(Pleurotus cystidiosus)的Pc-GDH 對 NH4+的 Km為(3.73±0.23)mmol/L[13]。由此說明，低等生物GDH在NH4+的同化過程中起著重要作用，可以在較低濃度時順利同化NH4+，其NH4+的同化效率顯著大于高等植物GDH。因此，近年來將低等生物GDH基因用于改良作物對NH4+的同化效率備受關注。然而比較遺憾的是，導致高等植物和低等生物GDH對NH4+親和力有如此大差異的具體機制沒有相關報道。

2 GDH的生理功能

碳和氮是植物所必需的元素，植物在生長過程中需要維持碳氮代謝的平衡，而2-OG是一種連接碳氮代謝的重要中間產物[14]。由于GDH可催化2-OG和NH4+的還原氨化生成谷氨酸，同時也可將谷氨酸氧化脫氨生成2-OG和NH4+(圖1)，因此GDH在維持碳氮代謝平衡中發(fā)揮重要作用。另外，GDH還參與了光呼吸過程中NH4+的回收利用，以及逆境脅迫下細胞內過量積累NH4+的同化。

2.1 GDH在維持碳氮代謝平衡中的作用

碳氮代謝聯(lián)系密切，碳代謝為氮代謝提供代謝需要的碳源和能量，而氮代謝同時又為碳代謝提供酶和光合色素[15～16]。兩者協(xié)調程度不僅影響植物生長發(fā)育進程，而且很大程度上決定干物質的積累量。在GDH催化的氨同化反應中，碳骨架2-OG和還原力NAD(P)H都需要碳代謝來提供，而GDH能夠提高氮同化能力，進而增加酶及葉綠素的量，間接影響碳同化。因此，GDH在維持碳氮代謝平衡中起著重要作用。目前，普遍認為GDH具有雙重功能:當外部環(huán)境含有過量無機氮源時，GDH行使NH4+的同化功能；當植物缺少有機碳源時，如處于黑暗而不能進行光合作用，GDH通過脫氨作用分解谷氨酸產生2-OG，為三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)提供碳骨架[17]。Stewart等[18]報道，玉米GDH通過催化氧化脫氨作用，將谷氨酸分解為2-OG和NH4+，在蛋白質水解釋放氮的再循環(huán)中起著重要作用。在種子萌發(fā)和組織衰老等碳源受限的情況下，細胞需要通過蛋白質的水解維持碳氮平衡。蛋白質水解產生的氨基酸通過轉氨作用轉化為谷氨酸，谷氨酸經脫氨作用生成2-OG參與碳循環(huán)。此外，在胺酰轉化成為谷氨酰胺和天門冬酰胺的過程中也有GDH的參與。Melo-Oliveira等[19]發(fā)現(xiàn)，擬南芥在黑暗或碳源(蔗糖)供給受限時GDH1的mRNA大量積累，而光照或添加蔗糖則會抑制GDH1的mRNA積累；在光照條件下生長的植株，其葉片GDH1的mRNA維持在較低水平，但用NH4+處理可以誘導其增加，表明GDH在碳氮代謝平衡中起著重要的調控作用。

2.2 GDH在光呼吸中的作用

在植物生長過程中，光呼吸與光合作用相伴而生。與光合作用相反，光呼吸在吸收O2的同時釋放CO2，是植物體內僅次于光合作用的代謝流[20]。光呼吸是發(fā)生在葉綠體、過氧化物酶體和線粒體等3個不同細胞器中的代謝循環(huán)，參與了植物的能量代謝和碳氮代謝，包括一些復雜的初級代謝網(wǎng)絡，如光合作用、氨基酸代謝、三羧酸循環(huán)(TCA)和卡爾文循環(huán)(Calvin cycle)等[21]。C3植物的光呼吸實際上是乙醇酸代謝途徑，在葉綠體中形成的乙醇酸轉至過氧化物酶體，經乙醇酸氧化酶催化，被氧化成乙醛酸和H2O2，后者由過氧化氫酶催化分解成H2O和O2。乙醛酸經轉氨酶作用變成甘氨酸，然后轉運至線粒體。在線粒體中，2分子甘氨酸發(fā)生氧化脫羧和羥甲基轉移反應轉變?yōu)?分子絲氨酸，并產生NADH和NH3，釋放出CO2。絲氨酸轉運回過氧化物酶體，并與乙醛酸進行轉氨作用，形成羥基丙酮酸，后者在甘油酸脫氫酶作用下還原為甘油酸。最后，甘油酸回至葉綠體，在甘油酸激酶的作用下生成3-磷酸甘油酸，進入卡爾文循環(huán)，經過一連串復雜的反應后再生成核酮糖-1，5-二磷酸，重復下一次C2循環(huán)[22]。在光呼吸過程中，線粒體中經甘氨酸脫羧酶催化產生的CO2和NH3，在葉綠體中分別被核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase-oxygenase，Rubisco)和 GS/GOGAT 途徑重新固定和利用[23]。在高等植物中，目前認為葉綠體對NH4+最初的同化是由質體谷氨酰胺合成酶(GS2)/鐵氧還蛋白依賴型GOGAT(Fd-GOGAT)途徑來完成的，GDH起著補充和輔助的作用[24]。當葉綠體中的GS2/Fd-GOGAT途徑受到抑制時，GDH則參與對NH4+的再固定和利用[25]。由于線粒體中的甘氨酸氧化脫羧基過程會積累大量的NH4+，而GDH可以同化NH4+并解除細胞內氨毒害，我們推測GDH在植物光呼吸中也具有重要功能。然而比較遺憾的是，GDH在植物光呼吸中的作用研究較少，其具體功能及調控機制仍不清楚。

2.3 GDH在逆境響應中的作用

植物不可避免地會遭受到各種不良環(huán)境脅迫，其中多種不利環(huán)境因素(如高溫、低溫、干旱、高鹽和病蟲害等)會嚴重威脅植物的正常生長，這導致一些重要糧食和經濟作物的產量受損[26]。當處于逆境脅迫條件下時，植物會啟動一系列生理生化機制來響應各種環(huán)境脅迫，如:增強蛋白水解酶活性；促進蛋白質的降解；增加胞內小分子物質含量；提高胞內滲透壓，從而增強脅迫耐受力。其中，蛋白質降解過程會產生大量的NH4+，而NH4+積累會引起細胞毒害，因此提高細胞內NH4+的同化能力是減輕脅迫后果的一個脅迫應對機制[27～28]。GDH雖然可催化還原氨化和氧化脫氨的可逆反應，但是在非正常生長條件下，GDH更趨向于催化還原氨化(即氨同化)反應[29]。有研究證明，在衰老的葉片中GS和GOGAT的含量減少而GDH積累，并且GDH的活性大大提高[30～31]。與此相一致，在鹽脅迫條件下，與鹽敏感水稻品種相比，耐鹽水稻GDH的氨同化活性更高[32]。在耐銨鹽豌豆品種Pisum sativum中，根部GDH的氨化活性也顯著高于對照組[33]。大量研究結果表明，在逆境條件下植物細胞中GDH的氨同化活性增強，從而可以將細胞內因蛋白質水解產生的過量NH4+同化為谷氨酸，有效緩解或消除植物體內的毒害作用，增強植物的耐逆性[14]。因此，GDH也被認為是植物體內的一種逆境響應酶，參與了逆境脅迫或胞內高NH4+條件下植物體內過量NH4+的再次同化[14]。另外，脯氨酸的積累在植物非生物脅迫響應和滲透調節(jié)中起著重要作用[34]，而谷氨酸是脯氨酸生物合成途徑中的主要前體[35]。在脅迫條件下，GDH催化2-OG和NH4+形成谷氨酸，從而促進脯氨酸的合成，既減少了細胞內NH4+的積累，又增加了脯氨酸的含量，從而顯著增強了植物的耐逆性[34]。GDH的氨同化能力使得其在植物逆境脅迫中發(fā)揮著重要的作用，其氨同化能力的大小與植物的耐逆性呈正相關。有意思的是，Toyota等[36]報道，谷氨酸在擬南芥中作為一種受傷信號分子迅速啟動植物的防御信號轉導，誘導下游參與防御反應的基因表達。GDH作為催化谷氨酸合成的重要酶類，肯定也會參與該防御反應的調控，但是其具體機制仍鮮見報道。

3 低等生物GDH基因在作物遺傳改良中的應用

在高等植物中，盡管GDH在碳氮代謝平衡、光呼吸和逆境響應等生理功能中起著重要作用，但是對NH4+的親和力較低使得其始終處于GS/GOGAT途徑的補充和輔助地位。與之相反，在低等生物中，GDH對NH4+的親和力較高，其氨同化能力顯著高于高等植物GDH。因此，近年來借助基因工程手段將外源的低等生物GDH基因異源表達于作物以改良其性狀的研究越來越受到關注。目前，在作物遺傳改良中研究者主要利用了低等生物GDH對NH4+的高親和力和高同化效率特性，其相關研究和探索主要集中在提高作物的氮素利用率和非生物脅迫耐受性，以及改良作物品質等方面(表1)。需要特別說明的是，雖然GDH在生物體中能同時可逆催化谷氨酸的合成和分解，但是NADP(H)-GDH主要催化谷氨酸的合成，而NAD(H)-GDH則主要催化谷氨酸的分解[13，37]。因此，用于作物遺傳改良的低等生物GDH主要為NADP(H)-GDH，其本質是提高作物體內的氨同化效率。

3.1 低等生物GDH基因用于提高作物氮素利用率

低等生物GDH對NH4+的親和力顯著高于高等植物GDH。例如，目前已知真菌GDH對NH4+的 Km為 0.2～4.5 mmol/L[10，12]，而已知高等植物GDH對NH4+的Km為10～80 mmol/L[38]。與高等植物相比，低等生物GDH對氮素(主要為NH4+)的利用率更高，這意味著在低濃度條件下其仍能正常同化環(huán)境中的NH4+。因此，近年來許多低等生物GDH基因被異源表達于作物以提高氮素利用效率，用于培育低氮肥需求而高產或穩(wěn)產的遺傳改良新材料(品種)。細菌GDH基因是最早用于提高作物氮肥利用率的外源基因。1999年，Lightfoot等[39]將大腸桿菌(Escherichia coli)的gdhA基因異源表達于煙草中，發(fā)現(xiàn)其轉基因植株的氮素利用效率顯著提高。王芳等[40]將中間脈孢霉(Neurospora intermedia)的NiGDH基因轉入煙草，發(fā)現(xiàn)其轉基因煙草能在低氮條件下正常生長。黃國存等[41]將小球藻(Chlorella sorokiniana)的NADP(H)-GDH基因轉入煙草，發(fā)現(xiàn)其轉基因煙草在低氮培養(yǎng)基中的生長速度和葉片數(shù)明顯高于對照。Egami等[42]將構巢曲霉(Aspergillus nidulans)的NADP(H)-GDH基因gdhA過量表達于馬鈴薯，發(fā)現(xiàn)在低氮條件下其轉基因馬鈴薯塊莖的碳和氮含量增加，且gdhA的過量表達能顯著增加塊莖干物質，并能提高馬鈴薯的氮素利用效率。

對起源于沼澤地的重要糧食作物水稻來說，其吸收和同化的氮素主要為NH4+，因此近年來將真菌GDH基因用于改良水稻氮素利用效率成為研究熱點。2010年，Abiko等[43]首次將黑曲霉(Aspergillus niger)的gdhA基因過量表達于水稻中，其轉基因株系的氮素利用率顯著提高，干重、含氮量和籽粒產量在正常栽培條件下均顯著提高，但是在低氮條件下并沒有明顯改善。隨后，我們研究組將埃倫柱孢(Cylindrocarpon ehrenbergii)的Ce-GDH基因轉入水稻，發(fā)現(xiàn)其轉基因株系能顯著提高NH4+的同化效率，并提高在低氮栽培條件下的有效分蘗數(shù)、有效穗數(shù)和單株產量[37]；同樣，分別將謝瓦散囊菌(Eurotium cheralieri)的EcGDH基因[44]和毛束霉屬(Trichurus)的TrGDH基因[45]轉入水稻，發(fā)現(xiàn)EcGDH和TrGDH轉基因水稻株系的NH4+同化效率顯著提高，苗期的濕重、干重和氮含量也均顯著提高，尤其在低氮栽培條件下的有效穗數(shù)、千粒重和單株產量均顯著高于未轉化對照。另外，我們還將蕓薹生鏈格孢菌(Alternaria brassicicola)的AbGDH基因轉入水稻，發(fā)現(xiàn)其轉基因株系的氮素利用效率顯著提高，在低氮水培條件下其幼苗的生長得到顯著改善，濕重和干重也顯著提高，遺憾的是沒有測定其成熟期的農藝性狀[11]。此外，我們將鮑魚菇(P.cystidiosus)的PcGDH基因轉入水稻，發(fā)現(xiàn)其轉基因株系的氮素利用效率提高明顯，在低氮水培條件下的幼苗生長良好，但是在低氮栽培中并沒有顯著改善其產量[13]。總之，低等生物GDH基因確實能夠提高作物的氮素利用效率，有些GDH基因還能夠提高低氮栽培條件下的作物產量，具有良好的應用前景。值得注意的是，并不是所有異源表達的低等生物GDH基因均能提高作物產量，這可能與該GDH基因的來源物種及其所編碼蛋白質本身的理化性質有關。

3.2 低等生物GDH基因用于提高作物耐逆性

植物在逆境脅迫下會增強蛋白水解酶活性，促進蛋白質降解而產生大量NH4+。如果積累的過量NH4+不能得到及時清除，將會導致嚴重的細胞內氨毒害[27～28]。GDH被認為是植物體內的一種逆境響應酶，可通過同化脅迫下產生的過量NH4+而解除細胞內的氨毒害[14]。由于低等生物GDH同化NH4+的效率比高等植物內源GDH更高，因此低等生物GDH基因也被用于改良作物的耐逆性。Nolte等[46]將大腸桿菌(E.coli)的gdhA基因轉入煙草，發(fā)現(xiàn)其轉基因植株能夠提高對除草劑草銨膦(phosphinothricin)的耐受性。后來，Lightfoot等[47]將該gdhA基因轉入玉米，發(fā)現(xiàn)其轉基因植株在明顯缺水季節(jié)里的萌發(fā)率和生物產量均高于未轉化對照，說明其耐旱性顯著增強。我們研究組將核盤菌(Sclerotinia sclerotiorum)的SsGDH基因轉入水稻，發(fā)現(xiàn)其轉基因株系的NH4+同化效率顯著提高，同時也提高了對除草劑草銨膦的耐受性。但讓人意外的是，在正常水培條件下SsGDH轉基因幼苗的生長被顯著抑制，苗長、濕重和干重均比未轉化對照顯著降低[12]。同樣，我們將稻瘟病菌(M.grisea)的MgGDH基因轉入水稻，發(fā)現(xiàn)其轉基因株系的耐旱性顯著增強。在干旱脅迫條件下，MgGDH轉基因水稻體內NH4+的含量顯著低于未轉化對照，小分子物質如脯氨酸和可溶性糖的含量也顯著升高[10]。該結果說明，外源MgGDH能有效消除水稻體內的氨毒害，同時積累的脯氨酸和可溶性糖也提供了一定程度的滲透保護，從而提高了水稻的耐旱性。值得指出的是，我們發(fā)現(xiàn)只有少部分真菌的GDH基因能有效改良作物的抗逆性。例如，EcGDH轉基因水稻的耐旱性雖然比未轉化對照有所提高，但是低于MgGDH轉基因水稻。最近，谷氨酸被發(fā)現(xiàn)可以作為一種受傷信號分子啟動植物的防御反應，使植物逃避傷害或驅趕植食性昆蟲[36]。其實，在低等生物GDH轉基因作物中有大量谷氨酸累積，其對作物生物脅迫抗性的影響是一個非常有趣的研究點。遺憾的是，迄今尚未見相關報道。

3.3 低等生物GDH基因用于改良作物的營養(yǎng)品質

由于低等生物GDH對NH4+的同化效率比高等植物更高，所以其不僅能將更多NH4+同化固定于谷氨酸，而且谷氨酸還可將其獲得的NH4+用于其他氨基酸和蛋白質的合成。另外，用于作物遺傳改良的低等生物GDH主要為NADP(H)-GDH，在細胞中主要催化2-OG和NH4+形成谷氨酸，從而使遺傳改良作物中的總氮含量顯著提高。因此，低等生物GDH轉基因作物在提高氮素利用效率的同時，還可促進組織器官中谷氨酸、其他氨基酸以及蛋白質含量的顯著提高，從而提高作物的氨基酸和蛋白質含量，改善作物營養(yǎng)品質。Kisaka等[48]將構巢曲霉(A.nidulans)的gdhA基因過量表達于番茄，使得果實中游離氨基酸總量比未轉化對照高2～3倍。后來，Egami等[42]將該gdhA基因過量表達于馬鈴薯，發(fā)現(xiàn)gdhA轉基因馬鈴薯葉片在開花期的光合作用速率和可溶性蛋白質濃度都會增加。我們研究組也發(fā)現(xiàn)，真菌GDH轉基因水稻在提高氮素同化效率的同時，其植株中的谷氨酸、游離氨基酸和總氮含量也均顯著增加[10～13，37，44～45]。特別是對于PcGDH[13]和TrGDH[45]的轉基因水稻，不管在低氮還是高氮栽培條件下，種子中的谷蛋白和醇溶蛋白含量均顯著升高。有意思的是，Zhang等[49]直接將黑曲霉(A.niger)的gdhA基因轉入飼料稻(forage rice)，用于生產氨基酸和蛋白質含量顯著提高的青飼料和谷物飼料。由此可見，低等生物GDH基因可用于作物營養(yǎng)品質的改良，特別是可提高作物中氨基酸和蛋白質的含量，從而提升其作為食品或飼料的營養(yǎng)價值。

4 結語與展望

氮作為植物生長所必需的元素，對植物的生長發(fā)育及作物的產量都十分重要。在高等植物中GS/GOGAT途徑是主要的氮代謝途徑，其相關機制研究得比較清晰。然而GDH途徑作為高等植物氮同化的旁路途徑，其參與植物碳氮代謝、光呼吸以及調控逆境脅迫響應的分子機制仍然不太清楚，相關的生理及分子機制還有待進一步研究。同時，在低等生物GDH基因用于作物的遺傳改良方面，仍然還有以下問題需要解決:

1)低等生物GDH用于作物遺傳改良的選擇標準。雖然幾乎所有低等生物GDH均能提高作物的氮素利用效率和總氮含量，但是不一定能在低氮栽培條件下促進作物的生長和提高產量，有的甚至還會抑制生長，而有的卻能提高耐逆性(表1)。那么分子育種工作者該如何選擇合適的低等生物GDH用于特定性狀的遺傳改良呢？根據(jù)我們研究組多年來的研究結果初步推測，GDH在植物中導致不同的表型與其對NH4+的Km值有關。當GDH的Km值較小時，其轉基因作物的耐逆性增強。如Km為(0.28±0.03)mmol/L的SsGDH能增強水稻對除草劑草銨膦的耐受性[12]。當GDH的Km值較大時，其對轉基因作物的耐逆性沒有顯著的提高。如Km為(3.73±0.23)mmol/L的PcGDH的轉基因作物在低氮和高氮栽培中的產量并沒有明顯的改善[13]。只有當GDH的Km值處于合適的區(qū)間時，其轉基因作物在低氮栽培中的產量才會得到明顯改善。如Km為(1.48±0.11)mmol/L的TrGDH[45]和Km為(2.34±0.21)mmol/L的EcGDH[44]均能提高低氮栽培條件下水稻的產量。當然，上述分析都是從受體作物水稻中得到的初步規(guī)律，關于導致不同表型的GDH臨界Km值還需要進一步研究，甚至很有可能在不同受體作物中其臨界Km值也有所不同。

表1 低等生物GDH基因及其遺傳改良作物的表型Table 1 GDHs of lower organisms and phenotypes of their genetically modified crops

2)低等生物GDH對作物光呼吸的影響。GDH在高等植物光呼吸中的作用研究較少，其具體功能及調控機制仍不清楚。目前，僅報道當葉綠體中的GS2/Fd-GOGAT途徑受到抑制時，GDH才參與對NH4+的再固定和利用[25]。同樣，低等生物GDH對作物光呼吸的影響尚未見報道。其實，我們研究組發(fā)現(xiàn)有些低等生物GDH能夠抑制作物的光呼吸，從而提高作物的產量和耐逆性(未發(fā)表的結果)。因此，我們認為作物內源GDH和外源低等生物GDH對作物光呼吸的影響及其作用機制也將是一個重要的研究課題。

3)低等生物GDH遺傳改良作物的安全性問題。雖然異源表達低等生物GDH基因可以在一定程度上改善作物的氮素利用效率、耐逆性和營養(yǎng)品質，但是引入外源基因的安全性問題還存在著一定的爭議。其實，除了對已獲得的低等生物GDH遺傳改良作物進行常規(guī)的安全性檢測和評價外，還可以采用基因編輯技術改變作物本身GDH某些特定氨基酸殘基，以提高其對NH4+的親和力，從而培育對環(huán)境友好而安全的高產或穩(wěn)產作物新品種。因此，將來需要加大高等植物和低等生物GDH氨基酸序列和空間結構對NH4+親和力影響的比較研究，鑒定決定NH4+親和力的關鍵氨基酸位點、模體(motif)或結構域(domain)，這樣才能采用基因編輯技術對作物GDH進行有的放矢的改造。

總之，深入研究植物GDH的作用機制，可以有助于我們更好地理解植物碳氮代謝平衡和逆境脅迫響應的分子機制，為改良作物的氮素利用效率、耐逆性和營養(yǎng)品質等提供理論指導。同時，發(fā)掘和鑒定新的低等生物優(yōu)質GDH基因能夠為不同作物特定性狀的遺傳改良提供豐富的基因資源。