華中農業大學在解析甘藍型油菜銨硝營養利用的生物學機制方面取得新進展
核心提示：近日，植物領域國際著名學術期刊The Plant Journal在線發表了華中農業大學資源與環境學院植物營養生物學團隊關於油菜對銨硝營養利用機制的最新研究成果，該研究聯合植物生理和多組學技術解析了硝態氮通過整合根際和細胞內的pH平衡及加速銨的同化進而緩解甘藍型油菜銨毒害的生物學機制，爲油菜生產中合理利用銨硝氮源提供了新的認識。……（世界食品網-www.shijieshipin.com）
在自然和農業條件下，銨是植物首選的氮源，但過量可能對植物有害，稱爲銨毒。硝態氮長期以來一直被認爲可以降低銨毒。甘藍型油菜是一種對高銨敏感的重要油料作物。然而，人們對甘藍型油菜中硝態氮緩解銨毒的機制知之甚少。11月13日，The Plant Journal在線發表了題爲“Nitrate alleviates ammonium toxicity in Brassica napus by coordinating rhizosphere and cell pH and ammonium assimilation”的研究論文。該研究揭示了硝態氮通過協調根際和細胞pH和銨同化作用減輕甘藍型油菜銨毒的生物學機制。
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氮是植物生長髮育必需的大量營養元素。一般而言，硝態氮和銨是農業中用於維持作物生長髮育的兩種主要無機氮源，它們在天然和農業土壤中的濃度通常比其他氮源高得多。銨被植物根系吸收後可直接同化成氨基酸被植物利用，而硝態氮則需先還原成銨，然後再進行同化利用。因此，與硝態氮相比，植物對銨態氮的利用過程更加節能。因此，銨態氮被認爲是許多作物的首選氮源，特別是那些生長在缺氧或酸性土壤中的作物。然而，當銨態氮作爲唯一氮源的時候，高濃度的銨態氮往往會抑制作物的生長，這種現象被稱爲銨毒。研究表明，硝態氮可以緩解植物銨毒。油菜是我國重要的油料作物。前期研究發現，與銨態氮相比，甘藍型油菜更偏好硝態氮，且不同氮效率品種對銨硝氮源的響應存在顯著的基因型差異（Li et al. Plant Physiology and Biochemistry, 2021, 166: 348–360）。同時，銨態氮作爲唯一氮源會顯著抑制油菜的生長。在高銨處理下，油菜葉片中碳氮代謝失衡，光合電子傳遞鏈受損，活性氧過度積累（Li et al. Environmental and Experimental Botany, 2021, 189: 104550）。研究發現，硝態氮可以緩解油菜銨毒。爲進一步解析其機制，該研究聯合轉錄組、代謝組和生理分析，發現硝態氮可以通過平衡根際和細胞內pH並加速甘藍型油菜的銨同化來減輕銨的毒性。在高銨環境下，硝態氮通過增強AMT和NRT轉運蛋白的表達來增加銨硝的吸收，且通過促進硝態氮外排轉運蛋白SLAH3和質子泵編碼基因的表達來增強硝態氮和質子從細胞質到質外體的外排。此外，硝態氮增加了細胞質、液泡和根際的pH，並下調了酸脅迫誘導基因的表達。在高銨條件下，硝態氮提高了油菜根系中谷氨酰胺合成酶（GS）的活性，促進了銨向氨基酸的同化，從而減少了銨在油菜中的積累和向地上部的遷移。研究發現，根系中GS的活性高度依賴於環境pH。此外，硝態氮可能在三羧酸循環中誘導參與氨基酸生物合成和蘋果酸代謝的代謝產物，並抑制苯丙烷代謝以減輕銨的毒性。總之，該研究表明，硝態氮通過有效的銨、硝和質子的跨膜循環平衡根際和細胞內pH，加速銨同化，並上調蘋果酸代謝，以減輕油菜銨毒。
華中農業大學資源與環境學院已畢業博士生李雙爲論文第一作者，丁廣大教授爲論文通訊作者。該研究受到國家重點研發計劃項目（2022YFD1900705）和湖北省自然科學基金項目（2021CFB458）的資助。
日期：2023-11-16
