王化敦，張 鵬*，馬鴻翔

（1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 / 江蘇省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014；2 揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇揚(yáng)州 225009）

氮(N)作為生物大分子如核酸、蛋白質(zhì)的基本組分，是植物生長(zhǎng)發(fā)育需要量最多的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，也是大多數(shù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物產(chǎn)量的限制因子[1]。在通氣土壤中，不同形態(tài)的人工合成氮肥在微生物(主要是硝化細(xì)菌)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮(NO3--N)，成為無機(jī)態(tài)氮素的主要存在形式[2]；在淹水條件下，作物(如水稻)根系通過泌氧和根系分泌物形成的根際微環(huán)境可將不同形態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，亦是植物利用的重要氮素形態(tài)[3]。

目前，植物中已報(bào)道參與硝態(tài)氮吸收和運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因家族包括：NPF(nitratetransporter1/peptidetransporterfamily)、NRT2(nitratetransporter2)、CLC(chloridechannels)和SLAC1/SLAH(slowanion channel-associated1homologues)[4-6]。在以上4個(gè)基因家族中，NRT2、CLC和SLAC1/SLAH家族成員數(shù)量較少(5～7個(gè))，其中NRT2家族編碼高親和力(highaffinity)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，與伴侶蛋白NAR2 (nitrate assimilation related protein)結(jié)合，在對(duì)低氮環(huán)境的響應(yīng)中具有重要功能[4]；CLC家族編碼氯離子(Cl-)通道蛋白，后來發(fā)現(xiàn)與在液泡中的儲(chǔ)存和運(yùn)輸有關(guān)[7-8]；SLAC1/SLAH家族編碼一類對(duì)電壓反應(yīng)遲緩類型(slow type)的離子通道，通過向保衛(wèi)細(xì)胞運(yùn)輸Cl-和引發(fā)氣孔閉合過程，其家族成員SLAH3主要在中柱表達(dá)，可特異性轉(zhuǎn)運(yùn)，與在根與地上部之間的長(zhǎng)距離運(yùn)輸有關(guān)[9-10]。

NPF家族包括NRT1(nitratetransporter1)和PTR(peptidetransporter)兩類基因，前者一般認(rèn)為編碼低親和力(low-affinity) NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，后者編碼寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[11]，由于二者序列相似性較高，在進(jìn)化關(guān)系上處于同一分支，將NRT1/PTR基因統(tǒng)一命名為NPF(NRT1PTRfamily)[12]。研究表明，NPF基因除了作為硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)和寡肽之外，還可轉(zhuǎn)運(yùn)其它多種底物(、Cl-、生長(zhǎng)素、脫落酸、赤霉素、茉莉酸、硫代葡萄糖苷、砷酸二甲酯等)，參與多種生物與非生物脅迫響應(yīng)[13-14]。與其它轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族相比，NPF家族成員眾多，模式植物擬南芥含有53個(gè)NPF基因，糧食作物水稻、玉米和小麥中分別含有93、79和331個(gè)NPF基因[12,15-16]。近年來，NPF基因的功能獲得了較多關(guān)注和深入研究，模式植物擬南芥中已有超過一半(31/53)NPF家族成員的生物學(xué)功能被解析，糧食作物水稻中亦有16個(gè)NPF基因的生物學(xué)功能被報(bào)道(表1、圖1)。大量研究表明，NPF基因廣泛參與植物對(duì)氮素的吸收和利用過程，在改良和提高作物氮素利用率及產(chǎn)量相關(guān)性狀中具有重要作用和應(yīng)用價(jià)值。本文主要針對(duì)模式植物擬南芥和糧食作物中已報(bào)道NPF基因在氮素吸收利用中的生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，以期深入理解植物高效吸收和利用氮素的機(jī)理，為提高作物氮素利用率相關(guān)研究以及作物氮高效育種實(shí)踐提供參考。

圖1 模式植物擬南芥和糧食作物中NPF基因在參與利用中的功能Fig.1 Diverse functions of NPF genes in nitrate utilization in Arabidopsis and main food crops

表1 模式植物擬南芥和主要糧食作物中已報(bào)道生物學(xué)功能的NPF基因Table 1 Functionally characterized NPF genes in Arabidopsis and main food crops

續(xù)表1 Table 1 continued

續(xù)表1 Table 1 continued

續(xù)表1 Table 1 continued

續(xù)表1 Table 1 continued

1 模式植物擬南芥中NPF基因在氮素吸收和利用中的生物學(xué)功能

1.1 參與氮素吸收與外排

AtNPF6.3(NRT1.1/CHL1)是植物中第一個(gè)被克隆的硝態(tài)氮(NO3--N)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，主要在根中表達(dá)，受誘導(dǎo)表達(dá)顯著上調(diào)[48]。AtNPF6.3兼具低親和力、高親和力(即dual-affinity)吸收特性，由其第101位蘇氨酸(Thr)是否磷酸化決定[98]。蛋白晶體結(jié)構(gòu)分析表明，當(dāng)環(huán)境中濃度充足時(shí)，AtNPF6.3中Thr101去磷酸化形成二聚體，降低了蛋白結(jié)構(gòu)的靈活性，對(duì)具有低親和力吸收特性；當(dāng)環(huán)境中缺乏時(shí)，Thr101磷酸化使AtNPF6.3由二聚體解離為單體，提高了蛋白結(jié)構(gòu)的靈活性，對(duì)具有高親和力吸收特性[99-100]。不同于AtNPF6.3，AtNPF4.6(AtNRT1.2)僅編碼低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與吸收過程[36]。AtNPF4.6主要在根毛和根表皮細(xì)胞組成型表達(dá)，并且在atnpf6.3中抑制AtNPF4.6的表達(dá)進(jìn)一步降低了對(duì)的吸收，說明AtNPF6.3介導(dǎo)的誘導(dǎo)型雙親和力吸收功能和AtNPF4.6介導(dǎo)的組成型低親和力吸收功能相對(duì)獨(dú)立[36]。植物對(duì)的獲取是根中吸收與外排活動(dòng)的綜合結(jié)果[101]。AtNPF2.7(NAXT1)主要在成熟根的皮層細(xì)胞表達(dá)，其表達(dá)受到轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，當(dāng)環(huán)境酸化引起細(xì)胞質(zhì)pH降低時(shí)，AtNPF2.7在蛋白水平表達(dá)顯著增加，參與根中的外排[21]，這一生理活動(dòng)可能反映了植物對(duì)外界環(huán)境變化(脅迫)的適應(yīng)性。此外，NPF基因家族部分成員編碼寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(peptide transporter，PTR)，參與植物對(duì)有機(jī)態(tài)氮素的吸收過程，如atnpf8.1(ptr1)在以寡肽為氮源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)吸收的氮素顯著降低[71]。

1.2 參與氮素在營(yíng)養(yǎng)器官中的運(yùn)輸和分配

NPF基因亦參與在地上部不同組織器官中的運(yùn)輸和分配過程。AtNPF6.3在氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中亦有較強(qiáng)表達(dá)，atnpf6.3在含培養(yǎng)條件下氣孔開放受阻，這一現(xiàn)象與脫落酸(abscisic acid)對(duì)氣孔開放的抑制作用和細(xì)胞內(nèi)CO2水平無關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)atnpf6.3中保衛(wèi)細(xì)胞濃度顯著降低，誘導(dǎo)的去極化現(xiàn)象消失，說明AtNPF6.3通過向保衛(wèi)細(xì)胞運(yùn)輸參與了氣孔活動(dòng)[50]。AtNPF6.2(AtNRT1.4)主要在葉柄中表達(dá)，對(duì)維持葉片內(nèi)部(葉柄、葉脈及葉片部位)的動(dòng)態(tài)平衡具有重要作用，該基因突變導(dǎo)致葉柄中濃度顯著降低，而葉片中濃度顯著升高[46]。與幼嫩葉片(新葉)相比，成熟葉片因表面積較大具有較強(qiáng)的蒸騰作用，可以從蒸騰作用驅(qū)動(dòng)的木質(zhì)部流中獲取更多，而發(fā)育中的幼嫩葉片(新葉)相比成熟葉片需要更多的氮素供應(yīng)，AtNPF1.1(AtNRT1.12)和AtNPF1.2(AtNRT1.11)共同參與了這一生物學(xué)過程，二者主要在葉片主脈韌皮部伴胞表達(dá)，并且在成熟葉片中的表達(dá)量較高，同位素示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙突變體atnpf1.1atnpf1.2中直接由根轉(zhuǎn)運(yùn)而來的15更多流向已經(jīng)成熟的葉片而非新葉[17]。當(dāng)外界供應(yīng)不足時(shí)，體內(nèi)貯藏的有效動(dòng)員和再分配對(duì)于植物體生長(zhǎng)尤其是幼嫩組織的發(fā)育具有重要作用，AtNPF2.13(AtNRT1.7)參與此生物學(xué)過程，該基因主要在老葉葉脈韌皮部細(xì)胞表達(dá)，并受氮饑餓誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)，突變導(dǎo)致老葉中濃度顯著增加，而老葉韌皮部傷流液和新葉濃度顯著降低[29]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，AtNPF2.13的表達(dá)受miR827-NLA模塊的調(diào)控，NLA(nitrogenlimitationadaptation)編碼泛素連接酶，介導(dǎo)AtNPF2.13經(jīng)泛素化途徑降解，氮饑餓條件下NLA的表達(dá)受到miR827靶向負(fù)調(diào)控，促進(jìn)下游AtNPF2.13表達(dá)上調(diào)[30]。因此，為了滿足幼嫩組織(葉片)生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮素的需求，當(dāng)環(huán)境中充足時(shí)，AtNPF1.1和AtNPF1.2可以將成熟葉片主脈中的(由根轉(zhuǎn)運(yùn)而來)供給新葉；當(dāng)環(huán)境中缺乏時(shí)，AtNPF2.13可促進(jìn)老葉中貯藏的再分配至新葉。

1.3 參與氮素向繁殖器官的運(yùn)輸和分配

在繁殖生長(zhǎng)階段，植物體由根直接吸收的氮素以及營(yíng)養(yǎng)器官中儲(chǔ)存的氮素大部分將向繁殖器官運(yùn)輸和分配。在NPF基因家族中，AtNPF8.2(AtPTR5)編碼寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要在花粉、胚珠和種子中表達(dá)，參與有機(jī)態(tài)氮素向繁殖器官的運(yùn)輸和分配過程，花粉管萌發(fā)試驗(yàn)中該基因增強(qiáng)表達(dá)株系的花粉在含毒性二肽(丙氨酰乙硫氨酸)的培養(yǎng)基中萌發(fā)嚴(yán)重受阻，而敲除突變體在相同培養(yǎng)基中花粉管生長(zhǎng)受影響程度最低[71]。

除有機(jī)態(tài)氮素(氨基酸、寡肽、多肽等)外，無機(jī)態(tài)的硝態(tài)氮()也可以在繁殖器官積累，并影響種子發(fā)育過程。AtNPF2.12(AtNRT1.6)僅發(fā)現(xiàn)在繁殖器官(角果、果柄等)維管束表達(dá)，并在授粉后表達(dá)量顯著增加，該基因敲除導(dǎo)致種子中濃度顯著降低，形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)突變體在受精后胚胎發(fā)育的1-或2-細(xì)胞期，胚柄細(xì)胞出現(xiàn)過度分裂與變形萎縮，后期種子敗育率顯著增加，這一結(jié)果說明作為無機(jī)態(tài)氮源的對(duì)于擬南芥早期胚胎發(fā)育具有重要作用，AtNPF2.12參與了這一生物學(xué)過程[27]。AtNPF5.5在胚中檢測(cè)有表達(dá)，突變導(dǎo)致正在發(fā)育的胚中總氮含量顯著降低，影響了胚中氮素的積累，其精細(xì)表達(dá)模式以及影響胚中氮素積累的機(jī)制和對(duì)種子發(fā)育的影響有待進(jìn)一步研究[43]。

1.4 參與調(diào)控植物對(duì)氮素()的響應(yīng)

AtNPF6.3除了作為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)外，還參與調(diào)控植物對(duì)環(huán)境中的響應(yīng)。首先，AtNPF6.3作為信號(hào)因子參與對(duì)的初級(jí)響應(yīng)：PNR (primary nitrate response)，即供處理短時(shí)間內(nèi)(0.5～1 h)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因及代謝相關(guān)基因迅速增強(qiáng)表達(dá)[51]。AtNPF6.3與細(xì)胞質(zhì)膜上受誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)的離子通道基因CNGC15互作抑制其功能，的供給解離AtNPF6.3與CNGC15的互作，促進(jìn)后者對(duì)Ca2+的吸收，引起細(xì)胞質(zhì)中Ca2+水平顯著提高，激活蛋白激酶CPK10/30/32對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NLP7的磷酸化，促進(jìn)NLP7的質(zhì)-核穿梭進(jìn)而激活下游PNR基因[52,102-103]。這一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與AtNPF6.3中第101位蘇氨酸(Thr)是否磷酸化有關(guān)，當(dāng)環(huán)境中濃度較低時(shí)，被誘導(dǎo)迅速增強(qiáng)表達(dá)的蛋白激酶CIPK23-CBL9復(fù)合物對(duì)AtNPF6.3中Thr101磷酸化，對(duì)具有低水平的初級(jí)響應(yīng)；當(dāng)環(huán)境中濃度較高時(shí)，AtNPF6.3 (NRT1.1/CHL1)中Thr101去磷酸化，引發(fā)對(duì)高水平的初級(jí)響應(yīng)[51]。其次，AtNPF6.3參與對(duì)次級(jí)響應(yīng)：SNR(secondary nitrate response)，即PNR中相關(guān)基因的表達(dá)在長(zhǎng)時(shí)間處理?xiàng)l件下的反饋抑制[104]。一方面，AtNPF6.3可以誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子LBD37/38/39表達(dá)負(fù)向調(diào)控PNR基因(如NRT2.1)的表達(dá)[53,105]；另一方面，最近報(bào)道的PNR負(fù)向調(diào)控因子NIGTs基因位于關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NLP7下游，其中NIGT1.3和NIGT1.4對(duì)PNR基因的抑制作用依賴AtNPF6.3-CNGC15-Ca2+-CPK-NLP模塊，由于NLP對(duì)下游誘導(dǎo)基因的直接正向調(diào)控相比NLP-NIGTs途徑對(duì)下游基因的負(fù)向調(diào)控反應(yīng)更為迅速，從而導(dǎo)致很多轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(NPF、NRT2)和代謝相關(guān)基因(NR、NIA)表現(xiàn)出對(duì)的初級(jí)響應(yīng)(PNR)和次級(jí)響應(yīng)(SNR)[104,106-107]。再次，AtNPF6.3參與植物根系適應(yīng)環(huán)境中不同濃度的“覓食”過程。當(dāng)環(huán)境中濃度較低時(shí)，AtNPF6.3可以轉(zhuǎn)運(yùn)生長(zhǎng)素，減少側(cè)根原基和新生側(cè)根中生長(zhǎng)素的積累，導(dǎo)致側(cè)根生長(zhǎng)發(fā)育受阻；當(dāng)環(huán)境中濃度較高時(shí)，AtNPF6.3的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)功能受到抑制，側(cè)根原基和新生側(cè)根中生長(zhǎng)素濃度增加，促進(jìn)側(cè)根發(fā)育[54]。

最近，Chen等[35]報(bào)道AtNPF4.4(NRT1.13)在調(diào)節(jié)體內(nèi)的分配中具有重要功能。AtNPF4.4定位在細(xì)胞質(zhì)膜，主要在葉柄和莖節(jié)部位靠近木質(zhì)部的薄壁細(xì)胞中表達(dá)。atnpf4.4表現(xiàn)出濃度依賴的晚花、分支發(fā)生與生長(zhǎng)缺陷，進(jìn)一步研究表明，atnpf4.4中經(jīng)由節(jié)向葉片、分支中的“橫向”分配減少，并且在低氮(0.2 mmol/L)條件下更為顯著。值得注意的是，由于在第10和第11跨膜結(jié)構(gòu)域之間高度保守，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)活性具有重要作用的脯氨酸位點(diǎn)被絲氨酸取代(P487S)，AtNPF4.4體外試驗(yàn)不具有轉(zhuǎn)運(yùn)的功能，但可以結(jié)合，說明AtNPF4.4可能具有感知體內(nèi)水平，并通過調(diào)節(jié)在節(jié)部位的橫向分配以維持植物對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)性。由于AtNPF4.4不具有轉(zhuǎn)運(yùn)功能，其參與體內(nèi)分配的分子機(jī)制以及承擔(dān)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的組分有待進(jìn)一步發(fā)掘。

2 糧食作物中NPF基因在氮素吸收和利用中的生物學(xué)功能

2.1 水稻

目前，糧食作物中有關(guān)NPF基因的研究主要集中在水稻中(表1、圖1)。已報(bào)道OsNPF2.4、OsNPF5.16、OsNPF6.1、OsNPF6.3、OsNPF6.5、OsNPF7.1、OsNPF7.2、OsNPF7.4和OsNPF7.7參與吸收過程[76,79-82,85-86,90]，OsNPF4.5在根系通過叢枝菌根共生途徑獲取中具有重要功能[78]，進(jìn)一步拓寬了人們對(duì)植物獲取途徑的認(rèn)知，這些基因在參與吸收過程中是否存在互作關(guān)系(協(xié)同、冗余、拮抗等)有待深入研究。其中OsNPF2.4和OsNPF6.5與另外一個(gè)家族成員OsNPF2.2在根維管組織(木質(zhì)部)中表達(dá)量較高，與擬南芥中AtNPF2.3、AtNPF6.3和AtNPF7.3功能相似，三者亦參與由根向地上部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程[75-76,82]；OsNPF5.16在根、莖基部和葉鞘中表達(dá)水平較高，亦參與由根向葉鞘的分配過程[79]；OsNPF7.2主要在根伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)厚壁細(xì)胞、皮層與中柱表達(dá)，除了參與吸收，還與在根中不同部位的分配有關(guān)[86]；OsNPF7.7存在兩種可變剪接OsNPF7.7-1(編碼較長(zhǎng)產(chǎn)物)和OsNPF7.7-2(編碼較短產(chǎn)物)，分別定位在細(xì)胞膜(OsNPF7.7-1)和液泡膜(OsNPF7.7-2)，提高其表達(dá)水平則分別促進(jìn)了對(duì)和的吸收[90]。值得注意的是，OsNPF5.16與已報(bào)道NFP7亞家族成員OsNPF7.1、OsNPF7.2、OsNPF7.3、OsNPF7.4和OsNPF7.7均參與水稻蘗芽的發(fā)育，并最終影響水稻分蘗。其中OsNPF7.1和OsNPF7.4在蘗芽中對(duì)不同供氮水平具有相反的表達(dá)模式，對(duì)蘗芽的生長(zhǎng)發(fā)育分別具有促進(jìn)和抑制作用[85]。分析表明，OsNPF5.16和OsNPF7.2表達(dá)變化影響了莖蘗基部細(xì)胞分裂素(cytokinins, CKs)水平，并且后者同時(shí)影響了獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactones, SLs)信號(hào)途徑相關(guān)基因的表達(dá)，說明CKs信號(hào)途徑參與了OsNPF5.16依賴的蘗芽生長(zhǎng)發(fā)育[79]，CKs和SLs信號(hào)途徑協(xié)同參與了OsNPF7.2依賴的蘗芽生長(zhǎng)發(fā)育[87]，對(duì)于其它NPF基因(OsNPF7.1、OsNPF7.3、OsNPF7.4和OsNPF7.7)參與蘗芽生長(zhǎng)發(fā)育是否涉及CKs、SLs或其它激素(如生長(zhǎng)素)，有待進(jìn)一步研究。

OsNPF6.5(OsNRT1.1B)是AtNPF6.3(NRT1.1/CHL1)在水稻中的功能性同源基因，該基因定位在細(xì)胞膜上，受誘導(dǎo)表達(dá)顯著增強(qiáng)[82]。與AtNPF6.3類似，OsNPF6.5不僅參與吸收和由根向地上部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，還參與調(diào)控水稻對(duì)初級(jí)響應(yīng)[81-82]。不同于擬南芥PNR反應(yīng)中依賴AtNPF6.3、由第二信使Ca2+和磷酸化修飾介導(dǎo)信號(hào)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子AtNLP7的質(zhì)-核穿梭[104]，在OsNPF6.5調(diào)控的PNR反應(yīng)中，磷信號(hào)途徑關(guān)鍵抑制因子OsSPX4可以與信號(hào)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子OsNLP3互作抑制其質(zhì)-核穿梭，可以促進(jìn)OsNPF6.5與OsSPX4結(jié)合，并招募OsNPF6.5互作蛋白OsNBIP1 (OsNRT1.1B Interacting Protein 1)介導(dǎo)OsSPX4經(jīng)泛素化途徑降解，增強(qiáng)OsNLP3的質(zhì)-核穿梭引發(fā)PNR反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)了磷信號(hào)途徑相關(guān)基因的表達(dá)[83]。因此，水稻中OsNPF6.5作為關(guān)鍵因子整合了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(PNR反應(yīng))和受調(diào)節(jié)的磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(即促進(jìn)對(duì)磷的吸收利用)。進(jìn)一步研究表明，OsNPF6.5還可以調(diào)節(jié)水稻根際氮代謝功能相關(guān)微生物區(qū)系組成，影響根際對(duì)氮素的吸收[84]。Wang等[81]報(bào)道了AtNPF6.3在水稻中的另外一個(gè)同源基因OsNPF6.3(OsNRT1.1A)。不同于OsNPF6.5定位在細(xì)胞膜，OsNPF6.3定位在液泡膜，并且受另外一種無機(jī)態(tài)氮素銨誘導(dǎo)表達(dá)顯著增強(qiáng)。與OsNPF6.5基因功能相比，OsNPF6.3不僅能促進(jìn)對(duì)的吸收，還促進(jìn)了對(duì)的吸收，說明OsNPF6.3在對(duì)不同形態(tài)氮素的吸收和利用中可能起著更為基礎(chǔ)的作用[81]。

2.2 玉米

目前，糧食作物玉米中已報(bào)道4個(gè)NPF基因的生物學(xué)功能(表1、圖1)。ZmNPF7.9在胚乳轉(zhuǎn)移細(xì)胞特異性表達(dá)，該基因突變導(dǎo)致籽粒中濃度顯著降低，并引發(fā)嚴(yán)重的籽粒發(fā)育障礙(胚乳發(fā)育遲緩、淀粉沉積異常、粒重顯著降低等)，說明無機(jī)態(tài)的對(duì)于玉米籽粒(胚乳)發(fā)育具有重要作用，ZmNPF7.9參與了這一生物學(xué)過程[96]。ZmNPF8.8(ZmPTR1)主要在種子萌發(fā)過程中盾片上皮細(xì)胞中表達(dá)，擬南芥中異源表達(dá)ZmNPF8.8在二肽(Ala-Ala)作為唯一氮源的培養(yǎng)基中，種子吸脹后萌發(fā)的存活率顯著高于對(duì)照材料，說明ZmNPF8.8可能參與萌發(fā)籽粒中有機(jī)態(tài)氮素(二肽等)向胚的運(yùn)輸過程[97]。

借助定點(diǎn)誘變和電生理技術(shù)，Wen等[95]對(duì)玉米中AtNPF6.3兩個(gè)同源基因ZmNPF6.4 (ZmNRT1.1A)和ZmNPF6.6 (ZmNRT1.1B)的吸收特性進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)二者在功能上出現(xiàn)分化，分別對(duì)Cl-和具有高親和力(high-affinity)吸收特性。ZmNPF6.6中含有與結(jié)合的關(guān)鍵組氨酸位點(diǎn)(His-362, 擬南芥AtNPF6.3中該位點(diǎn)為His-356[99-100])，而在ZmNPF6.4中該位點(diǎn)被酪氨酸(Tyr-370)取代。將ZmNPF6.6中該關(guān)鍵組氨酸位點(diǎn)突變成酪氨酸(His-362-Tyr)，導(dǎo)致ZmNPF6.6喪失了對(duì)的轉(zhuǎn)運(yùn)功能；在ZmNPF6.4中引入該關(guān)鍵組氨酸位點(diǎn)(Tyr-370-His)，則使ZmNPF6.4獲得了對(duì)的高親和力吸收特性[95]。通過改變NPF基因編碼蛋白中特定氨基酸位點(diǎn)，為提高作物氮素吸收利用(包括對(duì)Cl-的耐受性)提供了新的視角。

2.3 小麥

糧食作物小麥?zhǔn)钱愒戳扼w(基因組類型為AABBDD)，基因組龐大并且十分復(fù)雜[108]。目前，小麥中有關(guān)NPF基因在氮素吸收利用中生物學(xué)功能的研究尚未見報(bào)道，但已有證據(jù)表明NPF基因參與小麥對(duì)氮素的吸收利用過程[109-111]。最近，Wang等[15]和Li等[16]分別對(duì)小麥中NPF基因家族進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定與分析，發(fā)現(xiàn)小麥基因組中含有高達(dá)331個(gè)NPF基因，其數(shù)量遠(yuǎn)高于水稻(93個(gè))和玉米(79個(gè))。小麥中家族成員眾多的NPF基因在氮素吸收利用中的生物學(xué)功能有待發(fā)掘與解析。

3 結(jié)論與展望

如前所述，目前糧食作物玉米(含79個(gè)NPF基因)中僅有4個(gè)NPF基因的生物學(xué)功能被報(bào)道，在小麥(含331個(gè)NPF基因)中尚未有相關(guān)報(bào)道，未來對(duì)玉米和小麥中NPF基因的發(fā)掘與功能研究，將為改良作物氮素利用效率提供新的基因資源。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中對(duì)NPF基因功能的研究多采用水培與盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為單一氮水平(高氮或低氮)處理。在自然環(huán)境中，作物生長(zhǎng)在多重氮水平條件下，并且在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)氮素的需求各異，因此，實(shí)踐中需要考慮綜合運(yùn)用多種策略(調(diào)節(jié)氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配/再分配、代謝及其調(diào)控基因的綜合表達(dá))探索提高作物的氮素利用效率。