劉海光 羅振 董合忠

（1. 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南 250014；2. 山東棉花研究中心，濟(jì)南 250100）

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，維持著植物體內(nèi)正常物質(zhì)循環(huán)和能量代謝［1］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理控制氮肥用量是作物獲得高產(chǎn)的重要措施。氮肥供應(yīng)不足，不能發(fā)揮品種和灌溉等其他農(nóng)藝措施的增產(chǎn)效果。因此，近幾十年來(lái)，增施氮肥已成為我國(guó)追求作物高產(chǎn)的重要手段。自1961年以來(lái)，氮肥施用量增加了8倍多，2017年我國(guó)的氮肥用量為2.311×107t［2-3］。氮肥施用量持續(xù)增加，但作物產(chǎn)量并未成比例增加，盲目大量的增施氮肥導(dǎo)致植物氮素利用效率（nitrogen use efficiency，NUE）大幅下降［4］。氮肥過(guò)量施用，不僅增加了能源損耗，提高了農(nóng)作物的生產(chǎn)成本，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性造成了巨大的阻礙，而且使土壤質(zhì)量下降、水體富營(yíng)養(yǎng)化和溫室氣體排放等一系列環(huán)境污染問(wèn)題也日益突出［5］。

植物氮素利用主要包括吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)兩個(gè)過(guò)程，要提高作物氮素利用效率，就必須深入了解氮素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵組分的功能和調(diào)控機(jī)制［6］。近年來(lái)，隨著分子生物技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于植物氮素利用相關(guān)酶和基因的功能與調(diào)控機(jī)制得到深入揭示。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物氮素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)生理過(guò)程和分子調(diào)控機(jī)制等方面的最新研究成果，并對(duì)今后的研究進(jìn)行了展望，以期為科學(xué)施用氮肥和提高氮肥利用效率提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 植物氮素吸收機(jī)制

植物可以吸收無(wú)機(jī)氮，也可以利用一些含氮的有機(jī)物，相較于有機(jī)氮，無(wú)機(jī)氮?jiǎng)t更容易被植物吸收。土壤中的無(wú)機(jī)氮包括NO3-和NH4+，對(duì)于大部分植物尤其是旱生植物來(lái)說(shuō)，NO3-是主要氮源［7］。土壤中的NO3-濃度波動(dòng)很大，為了適應(yīng)土壤中NO3-的濃度變化，植物進(jìn)化出兩種NO3-吸收系統(tǒng)，分別是高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（high-affinity transporter system，HATS）和低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（low-affinity transporter system，LATS）［8］。兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸收硝態(tài)氮都是主動(dòng)耗能的過(guò)程，通過(guò)質(zhì)子梯度提供能量，相互依存，協(xié)同合作使植物能夠有效吸收土壤中的NO3-［9］。

植物從土壤獲取NO3-主要是由硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（nitrate transporter，NRTs）介導(dǎo)的，包括2個(gè)NRT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（NRT1.1和NRT1.2）和4個(gè)NRT2（NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（圖1）。在擬南芥中，AtNRT1.1是一種雙親和NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)體，這取決于Thr101位點(diǎn)殘基的磷酸化狀態(tài)，當(dāng)介質(zhì)中NO3

圖1 根中硝態(tài)氮吸收運(yùn)動(dòng)模式圖（改自文獻(xiàn)［5］）Fig. 1 Model diagram of NO3- uptake and transport in root (Modified from reference［ 5］)

-含量較低時(shí)，AtNRT1.1的Thr101位點(diǎn)殘基磷酸化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂H和轉(zhuǎn)運(yùn)體，參與低濃度硝態(tài)氮的吸收；當(dāng)介質(zhì)中硝態(tài)氮濃度較高時(shí)，AtNRT1.1去磷酸化，轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀H和轉(zhuǎn)運(yùn)體，參與高濃度狀態(tài)下的NO3-吸收［10］。這種磷酸化由蛋白激酶CIPK23調(diào)節(jié)［11］。雙親和性并非NRT1.1所獨(dú)有，鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白KUP和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MtNRT1.3也顯示出雙親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性［12］。NRT1.1在根、幼葉以及花蕾中表達(dá)，除了吸收土壤中的NO3-，還可以作為NO3-的信號(hào)感受器參與調(diào)控植物的側(cè)根發(fā)育、基因表達(dá)和種子萌發(fā)等［13］，這說(shuō)明NRT1.1在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的調(diào)控中具有多效性。在谷類作物中已鑒定出NRT1.1的同源基因。例如，小麥中的同源基因TaNPF6.1、TaNPF6.2、TaNPF6.3和TaNPF6.4以及水稻中的OsNPF6.3、OsNPF6.5（OsNRT1.1b）和OsNPF6.4，由于作物種類的不同，它們都具有各自獨(dú)特的表達(dá)模式［14-16］。

除了NRT1.1，NRT1.2編碼的蛋白質(zhì)也在低親和性的NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中發(fā)揮作用［8，17］。相關(guān)研究結(jié)果表明，AtNRT1.2不僅可以在外界NO3-濃度較高的情況下吸收NO3-，還可以轉(zhuǎn)運(yùn)脫落酸（abscisicacid，ABA）［18］。在擬南芥中AtNRT1.2表達(dá)不受NO3-的誘導(dǎo)，呈現(xiàn)組成型表達(dá)模式［19］。而在煙草（Nicotiana tabacum）分離和鑒定得到的NpNRT1.2表達(dá)嚴(yán)格依賴高濃度NO3-［20］。從甘藍(lán)型油菜（Spinacia oleracea）中克隆到了擬南芥低親和性NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的同源基因BnNRT1.2，受NO3-誘導(dǎo)表達(dá)，并且BnNRT1.2不僅可轉(zhuǎn)運(yùn)NO3-，也可以轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸（L-組氨酸）和肽［21］。這些研究表明，同一個(gè)基因由于物種不同可能衍生不同的功能。在NRT2家族中NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5參與低濃度硝態(tài)氮的吸收。在擬南芥中AtNRT2.1在根系NO3-吸收中起主導(dǎo)作用，Cerezo等［22］在atnrt2.1的突變體中發(fā)現(xiàn)HATs的活性降低了63%-75%。另外，OsNRT2.1在水稻中的過(guò)表達(dá)只是略微促進(jìn)了水稻幼苗的生長(zhǎng)，但并沒(méi)有影響NO3-的吸收，這可能是由于缺乏與高親和力NO3-運(yùn)輸?shù)闹匾o助因子OsNAR2.1的共同調(diào)節(jié)［23］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在OSNAR2.1基因的NO3-誘導(dǎo)啟動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)下，OsNRT2.1轉(zhuǎn)基因植株的生物量顯著增加，產(chǎn)量提高了38%，農(nóng)業(yè)氮素利用效率提高到野生型植株的128%［24］。這些研究表明NRT2.1在低濃度NO3-的有效吸收和生物量增加中的重要作用。而AtNRT2.2發(fā)揮的作用較小，是對(duì)AtNRT2.1功能的補(bǔ)充；反向遺傳學(xué)的研究表明，只有在NRT2.1缺失的情況下，NRT2.2才顯著性表達(dá)［22］。AtNRT2.4也在根中表達(dá)，但其根系吸收NO3-的能力較弱，主要參與NO3-由韌皮部向葉片的運(yùn)輸，其親和性比AtNRT2.1和AtNRT2.2更高［25］。AtNRT2.5主要位于根表皮和皮層，并且其轉(zhuǎn)錄受到N饑餓的強(qiáng)烈誘導(dǎo)，為植物有效利用氮素、正常生長(zhǎng)提供保障［26］。

2 植物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

氮素供應(yīng)充足時(shí)，植物的氮素利用效率主要取決于氮素吸收效率；而在氮素缺乏的條件下，植物的氮素利用效率則取決于體內(nèi)氮素的運(yùn)轉(zhuǎn)效率［27］。有時(shí)作物產(chǎn)量的提高并不是因?yàn)樘岣吡藢?duì)NO3-的吸收能力，而是由于氮素高效轉(zhuǎn)運(yùn)提高了體內(nèi)氮素的利用效率。研究發(fā)現(xiàn)，在作物的籽粒中，50%-90%的氮來(lái)自于營(yíng)養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)再利用，開(kāi)花后植物體內(nèi)貯存氮的轉(zhuǎn)運(yùn)是生殖器官獲得氮素的重要途徑，甚至比重新吸收的氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)更大［28-29］。因此，研究植物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制對(duì)于提高植物氮素利用效率同樣具有現(xiàn)實(shí)意義。

植物從土壤中吸收的NO3-，一部分會(huì)被儲(chǔ)存在液泡中；一部分被還原成NH4+并進(jìn)一步同化形成氨基酸合成蛋白質(zhì)參與根系氮代謝［30］。未被利用的NO3-和氨基酸等有機(jī)態(tài)氮?jiǎng)t進(jìn)入木質(zhì)部導(dǎo)管在蒸騰拉力的驅(qū)動(dòng)下向地上部運(yùn)輸［31］，在地上部的莖、葉以及其他生殖生長(zhǎng)器官中被還原，經(jīng)同化反應(yīng)形成谷氨酰胺和谷氨酸參與體內(nèi)氮代謝［32］。

由根向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)是調(diào)節(jié)NO3-在植物體內(nèi)分配的關(guān)鍵步驟，NO3-在地上、地下部分的分配比例分別由向上運(yùn)輸?shù)哪举|(zhì)部介導(dǎo)和向下運(yùn)輸?shù)捻g皮部介導(dǎo)［32］（圖2）。為了將根系吸收的NO3-轉(zhuǎn)移到植物的地上部分，它必須裝載到根部的木質(zhì)部導(dǎo)管中。NRT1.5主要參與了這一步驟［33］，NRT1.5在根部靠近原生木質(zhì)部周圍的中柱細(xì)胞中表達(dá)，是一種低親和力的雙向（流入-流出）硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體，負(fù)責(zé)將NO3-運(yùn)出中柱鞘細(xì)胞，裝載到木質(zhì)部，轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分［34］。在nrt1.5突變體中，根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的NO3-相較于野生型減少，同時(shí)nrt1.5木質(zhì)部傷流液NO3-含量也低于野生型植株［33］。在nrt1.5突變體中發(fā)現(xiàn)，地上部分K+含量相對(duì)缺乏，經(jīng)研究表明NRT1.5是連接NO3-和K+信號(hào)通路的重要組成部分［34］。NRT1.8是已知的與NRT1.5一致性最高的蛋白，其氨基酸序列一致性高達(dá)64%［35］，但是它卻表現(xiàn)出與NRT1.5完全相反的作用。NRT1.8主要在根的木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中表達(dá)，通過(guò)卸載木質(zhì)部中的NO3-來(lái)影響NO3-從根到地上部分的運(yùn)輸，nrt1.8突變體主要表現(xiàn)為木質(zhì)部汁液中NO3-含量的增加和根到地上部NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)的增加，這表明nrt1.8在將NO3-從木質(zhì)部汁液中移回根細(xì)胞的過(guò)程中發(fā)揮了作用［36］。而對(duì)于韌皮部介導(dǎo)NO3-向下運(yùn)輸，目前只鑒定出了負(fù)責(zé)根部韌皮部裝載的基因NRT1.9，負(fù)責(zé)韌皮部卸載的基因尚未找到［37-38］。在nrt1.9突變體中，根韌皮部分泌物中硝酸鹽含量降低，硝酸鹽向下運(yùn)輸減少，表現(xiàn)出促進(jìn)根-冠運(yùn)輸和植株生長(zhǎng)的作用［38］。這表明NRT1.8和NRT1.9都是從根到莖NO3-運(yùn)輸?shù)呢?fù)調(diào)控因子，但機(jī)制不同。迄今為止，對(duì)NRT基因與作物NO3-長(zhǎng)距離運(yùn)輸關(guān)系的研究主要集中于小麥、水稻和油菜［39］。其中，對(duì)于小麥，只研究了NRT1.5和NRT1.8基因?qū)Φ孛{迫的響應(yīng)［40］；對(duì)于水稻，已分析了過(guò)量表達(dá)的NRT1.5的水稻品系的氮素生理特性［41］；對(duì)于油菜，分析了NRT1.5、NRT1.8和NRT1.9對(duì)NO3-缺乏的響應(yīng)，并構(gòu)建了一個(gè)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，以尋找參與NO3-從油菜幼苗根到地上部運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵基因［42-43］。根據(jù)現(xiàn)有證據(jù)，基本可以確定NRT1.5、NRT1.8和NRT1.9調(diào)控NO3-在作物中的運(yùn)輸和分配。

圖2 NO3-在植物體內(nèi)部運(yùn)輸簡(jiǎn)易模式圖（改自文獻(xiàn)［32］）Fig. 2 Simplified model diagram of NO3- transportation inside the plant (Modified from reference［ 32］)

NO3-被運(yùn)輸?shù)饺~片后，植物根據(jù)葉的發(fā)育階段、氮需求和硝態(tài)氮儲(chǔ)存能力決定硝態(tài)氮的同化或儲(chǔ)存。不同組織間硝態(tài)氮的協(xié)調(diào)分配是高等植物高效利用硝態(tài)氮的關(guān)鍵［44］。在擬南芥中NRT1.4介導(dǎo)NO3-在葉柄中的儲(chǔ)存，是雙向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對(duì)硝態(tài)氮在葉片中的分配中起重要作用，nrt1.4突變體中葉柄處NO3-積累少而葉片積累多，導(dǎo)致葉片比野生型的葉片寬，這表明葉片中NO3-的分布影響了葉片的展開(kāi)［45］。隨著植物生長(zhǎng)發(fā)育或者在缺氮的條件下，老葉片中的NO3-不斷向新葉中轉(zhuǎn)移，NRT1.7主要介導(dǎo)了這一過(guò)程［46］。在成熟葉片中，NRT1.7在葉脈的韌皮部中表達(dá)，負(fù)責(zé)裝載老葉中的NO3-，運(yùn)輸至新葉，供新葉重新利用［37］。nrt1.7突變體在老葉中保留了大量的NO3-，在老葉的韌皮部汁液中含有更少的NO3-，并減少了NO3-向嫩葉的運(yùn)輸。另外，NRT1.11和NRT1.12這兩個(gè)基因在展開(kāi)的葉片中表達(dá)較高，主要功能是促進(jìn)NO3-從成熟和較大的展開(kāi)葉片到最幼嫩組織的再分配，而nrt1.11、nret1.12雙突變體在高NO3-條件下表現(xiàn)出生長(zhǎng)缺陷［47］。如上所述，NRT1.4負(fù)責(zé)NO3-在葉片中的分配，NRT1.7負(fù)責(zé)裝載老葉中儲(chǔ)存的NO3-，NRT1.11和NRT1.12負(fù)責(zé)在較大的展開(kāi)葉中重新分配木質(zhì)部攜帶的NO3-。與野生型相比，nrt1.4葉片更寬，nrt1.7功能的喪失會(huì)降低植物在N饑餓條件下的生長(zhǎng)，而nrt1.11、nrt1.12雙突變體在高NO3-條件下表現(xiàn)出生長(zhǎng)缺陷。這表明植物為適應(yīng)不同的硝酸鹽條件而采取不同的NO3-分配策略，以維持生長(zhǎng)發(fā)育的需求。

在對(duì)植物NUE的研究中，液泡NO3-起著不容忽視的作用［48］。NRT2.7和CLCa是兩個(gè)能將NO3-轉(zhuǎn)入液泡的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。已經(jīng)有研究證明NRT2.7在種子中具有重要的功能，在種子成熟晚期該基因高度表達(dá)，起到種子中液泡NO3-累積的作用［49］。而AtCLCa是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的NO3-/2H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，也是唯一被證實(shí)參與液泡NO3-累積的氯離子通道（CLC）蛋白，其突變體液泡中的NO3-累積量減少50%左右，并且NO3-含量從根到冠都降低，說(shuō)明CLCa在液泡中累積NO3-起著非常重要的作用［50］。在玉米ZmCLCa基因功能的驗(yàn)證研究中，證明了ZmCLCa可以提高植物對(duì)氮素的吸收，有利于玉米在低氮環(huán)境下的吸收，但是對(duì)于ZmCLCa在積累硝酸鹽過(guò)程中的機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究［51］。CLC家族的另一個(gè)成員CLCb也能轉(zhuǎn)運(yùn)NO3-，但尚不確定它是否參與NO3-進(jìn)出液泡［52］。另外，AtCLCc負(fù)責(zé)NO3-和氯的動(dòng)態(tài)平衡，可調(diào)節(jié)氯的運(yùn)輸，對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)和耐鹽性至關(guān)重要［53］。與NRT家族相比，CLC家族蛋白在調(diào)控液泡NO3-累積方面起著更為重要的作用，可以顯著影響植株NO3-的利用。

3 植物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)調(diào)控

植物氮素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要是由氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的，為了保障氮素能夠被植物有效的吸收和利用，需要精準(zhǔn)調(diào)控氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)調(diào)控已經(jīng)做了大量的研究工作，植物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控和蛋白水平上的調(diào)控。

研究發(fā)現(xiàn)，NRT基因的表達(dá)受到NO3-水平的調(diào)控。Okamoto等［54］用1 mmol/L NO3-溶液處理擬南芥，利用半定量PCR的方法研究NRT1.1-1.4和NRT2.1-2.7的表達(dá)狀況，根據(jù)它們對(duì)NO3-供應(yīng)的響應(yīng)差異把它們劃分為NO3-誘導(dǎo)、NO3-抑制和NO3-組成型基因，AtNRT1.1、AtNRT2.1和AtNRT2.2被NO3-強(qiáng)烈誘導(dǎo)，表達(dá)量升高，AtNRT2.4受NO3-誘導(dǎo)程度較小，它們均屬于NO3-誘導(dǎo)型基因；AtNRT2.5被NO3-強(qiáng)烈抑制，表達(dá)量下降，屬于NO3-抑制型基因；而AtNRT1.2、AtNRT1.4、AtNRT2.3、AtNRT2.6和AtNRT2.7不受NO3-影響，屬于表達(dá)組成型基因。誘導(dǎo)型（抑制性）基因一般在接觸NO3-很短的時(shí)間內(nèi)表達(dá)增強(qiáng)（下降），數(shù)小時(shí)至10余小時(shí)后達(dá)到高峰（低谷），此后表達(dá)量開(kāi)始降低（升高），說(shuō)明該基因表達(dá)受到反饋調(diào)控，NO3-對(duì)NRT表達(dá)的調(diào)控具有時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)［55］。另外，不同物種的NRT對(duì)NO3-的響應(yīng)與擬南芥不完全一致，如在擬南芥中AtNRT1.1為NO3-誘導(dǎo)型基因，而在黃瓜中CsNRT1.1屬于NO3-組成型基因［56］。除了NO3-，其他的氮素營(yíng)養(yǎng)，如NH4+、谷氨酸和谷氨酰胺均會(huì)抑制NRT基因的表達(dá)。

NRT基因的表達(dá)還受激素等信號(hào)分子調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)，ACC處理油菜可以促進(jìn)根系生長(zhǎng)和根毛增多，但卻降低BnNRT2.1表達(dá)［57］。在擬南芥中，對(duì)成熟根系施加IAA處理，會(huì)引起側(cè)根的發(fā)育，在處理30 min后，全株NRT1.1 mRNA含量顯著增加，而對(duì)NRT2.1的轉(zhuǎn)錄有明顯抑制作用［58］。在低氮條件下，ABA還可以通過(guò)調(diào)控NRT2/NAR基因表達(dá)量來(lái)促進(jìn)小麥NO3-的吸收［59］。Ruffel等［60］研究發(fā)現(xiàn)根區(qū)NO3-差異分布下，高N側(cè)根系生長(zhǎng)加快、NO3-吸收顯著增強(qiáng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高N側(cè)根系能夠合成反式玉米素（tZ）；然后，反式玉米素作為 “根-冠”信號(hào)分子運(yùn)輸?shù)降厣喜?，誘導(dǎo)地上部葉片中谷氨酰胺合成；谷氨酰胺作為“冠-根”間信號(hào)分子運(yùn)輸?shù)礁?，調(diào)控根系中硝態(tài)氮吸收［61］。研究發(fā)現(xiàn)根區(qū)NO3-不均勻分布下“根-冠-根”“CEPCEPR-CEPD”信號(hào)通路在促進(jìn)高氮側(cè)根系硝態(tài)氮吸收過(guò)程中具有重要作用［62-63］。

晝夜節(jié)律也可影響NRT基因表達(dá)，白天時(shí)，植物維持對(duì)NO3-較高的吸收速率，進(jìn)入夜間后NO3-的吸收速率逐漸降至最低，AtNRT1.1和AtNRT2.1基因的表達(dá)量也在白天達(dá)到最高，而在夜間降至最低［64］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在夜晚的條件下供應(yīng)蔗糖，AtNRT1.1和AtNRT2.1表達(dá)量上調(diào)，說(shuō)明NRT基因受晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素是光合產(chǎn)物的量，Lejay等［65］的研究發(fā)現(xiàn)，6-磷酸-葡萄糖作為信號(hào)物質(zhì)可調(diào)節(jié)AtNRT1.1和AtNRT2.1的表達(dá)。

磷酸化是NRT在蛋白水平上最主要的調(diào)控方式，而NRT1.1則是最早發(fā)現(xiàn)可以被磷酸化的NRT。最近的結(jié)構(gòu)分析表明，NRT1.1在Thr101的磷酸化控制著NRT1.1的結(jié)構(gòu)靈活性。當(dāng)NO3-濃度高時(shí)，NRT1.1去磷酸化，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白采用結(jié)構(gòu)柔性較低的二聚體構(gòu)象，起到低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用；當(dāng)NO3-濃度下降時(shí)，NRT1.1在Thr101殘基上磷酸化，從而使NRT1.1二聚體解耦連，磷酸化的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白獲得了更高的結(jié)構(gòu)靈活性和攝取活性，并作為一種高親和的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮作用［66-67］。而在NRT2.1，發(fā)現(xiàn)了Ser11、Ser28和Thr521三個(gè)磷酸化位點(diǎn)［68-69］。Ser28已被證明在重新補(bǔ)充高濃度（3 mmol/L或10 mmol/L）NO3-后5 min內(nèi)迅速去磷酸化，但在低濃度（0.3 mmol/L）NO3-下仍保持磷酸化［68］，這表明高氮條件下，NRT2.1翻譯后修飾對(duì)調(diào)節(jié)根系NO3-吸收具有重要作用。

4 提高NUE的主要途徑

提高氮肥利用率，減少氮肥損失及其對(duì)環(huán)境的壓力，既是一個(gè)全球性課題，更是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［70］。提高氮素利用率的基本原則是，提高植物對(duì)氮肥的吸收能力，盡量避免土壤中氮的過(guò)量積累、減少氮素?fù)p失；提高氮素向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)，提高經(jīng)濟(jì)系數(shù)［71］。提高氮素利用率的技術(shù)途徑有很多，歸納起來(lái)主要有農(nóng)藝途徑、工藝途徑和生物途徑［72］。

農(nóng)藝途徑主要是根據(jù)作物的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)和需肥規(guī)律優(yōu)化田間管理，改進(jìn)傳統(tǒng)的施肥技術(shù)，改善土壤有效氮素含量，以達(dá)到提高氮素利用率的目的。具體措施包括合理控制氮肥用量、氮肥深施、氮肥后移、少量多次施肥、合理灌溉、水肥一體化、根區(qū)施肥、平衡施肥等［73］。根區(qū)定位施肥技術(shù)，可以大幅提高養(yǎng)分利用效率，減少面源污染［74］；西北內(nèi)陸棉區(qū)膜下滴灌條件下采用的水肥一體化和水肥協(xié)同技術(shù)能有效提高旱區(qū)棉花的氮肥利用率［75］；根區(qū)鹽分差異分布條件下向低鹽根區(qū)施肥有利于鹽脅迫條件下氮素的吸收利用［76］。

工藝途徑則是通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的氮肥制造工藝，研制新型的高效氮肥，使其按照植物的需氮規(guī)律提供氮素營(yíng)養(yǎng)，降低氮肥淋溶、揮發(fā)損失，提高氮肥利用效率。如控釋肥就具有養(yǎng)分釋放與植物吸收同步的特點(diǎn)，一次性基施可以滿足全生育期的需要［77］。在滴灌施肥條件下，新型水溶氮肥則更利于實(shí)現(xiàn)水肥耦合，提高氮肥吸收利用，降低氮肥的淋溶 損失［78］。

生物途徑是通過(guò)植物基因型在氮素吸收利用方面的差異，挖掘植物本身的遺傳因素，篩選和培育氮高效品種，以提高氮素利用率［79］，是提高氮利用效率的最理想方式，不僅經(jīng)濟(jì)有效，而且有利于減少污染和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。傳統(tǒng)技術(shù)和手段培育氮素高效植物品種的效率很低、難度很大。但是，隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)，特別是基因編輯等分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，培育氮高效型植物品種已成為可能，目前已經(jīng)報(bào)道利用Cas9等基因組編輯技術(shù)，可以刪除小麥中消耗氮素的過(guò)量?jī)?chǔ)存蛋白基因，從而提高氮素利用效率［80］，展現(xiàn)出廣闊的利用前景。

5 展望

研究植物本身的氮素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理機(jī)制是提高植物NUE的關(guān)鍵依據(jù)。隨著分子生物學(xué)研究的不斷深入，關(guān)于植物氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和利用氮素的生理和分子機(jī)制的研究已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展，如在一些植物中已克隆到多個(gè)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、功能和基因表達(dá)調(diào)控等方面進(jìn)行了初步的研究，為有效調(diào)控氮素吸收和利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)基因家族成員眾多，使得基因篩選和功能鑒定還需要大量的工作；加之氮素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)以及調(diào)控是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，僅調(diào)控過(guò)程就涉及多種激素通路和信號(hào)分子通路的交互作用，因此還需要持續(xù)深入研究。

此外，迄今氮素相關(guān)基因的克隆和研究多集中在模式生物擬南芥上，對(duì)大宗作物氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的鑒定、功能分析以及氮素吸收的分子生物學(xué)研究還不多；同時(shí)由于缺乏氮高效的作物種質(zhì)資源，導(dǎo)致關(guān)于氮素高效作物品種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的報(bào)道極為罕見(jiàn)，這說(shuō)明深入揭示氮素利用的分子機(jī)制及調(diào)控機(jī)制對(duì)提高氮素利用效率的迫切性和重要性。因此，今后應(yīng)該加強(qiáng)作物氮素吸收利用相關(guān)基因的研究，利用轉(zhuǎn)基因和基因編輯等現(xiàn)代生物技術(shù)技術(shù)手段與常規(guī)技術(shù)結(jié)合，培育出更多真正意義上的氮素高效利用新品種，在減少環(huán)境污染氮肥用量的同時(shí)確保不減產(chǎn)甚至增產(chǎn)。

在農(nóng)藝栽培方面，目前采用的栽培管理方式較為單一，采取的栽培管理技術(shù)主要目的是圍繞高產(chǎn)，以節(jié)肥為目標(biāo)的研究尚不多見(jiàn)，存在的問(wèn)題是采用的栽培管理方式較為單一。因此，要深入研究不同地區(qū)、不同時(shí)期、不同種植方式以及不同生境下作物氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)情況和調(diào)控模式的變化，以此改良改進(jìn)和創(chuàng)新現(xiàn)有的栽培管理措施，為作物提供更優(yōu)的生長(zhǎng)條件，為作物氮肥的高效利用提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)節(jié)肥高產(chǎn)相協(xié)同。

相信隨著分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、農(nóng)學(xué)及交叉學(xué)科研究的深入，將進(jìn)一步揭示植物氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)控的機(jī)制，并開(kāi)發(fā)更多、更有效的大宗作物氮素高效利用技術(shù)，為其在農(nóng)業(yè)和生物工程的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為節(jié)肥增產(chǎn)、節(jié)本增效服務(wù)。