河南农业大学吉满春团队揭示光照依赖的小麦氮素吸收调控新机制

氮素是小麦生长发育、光合能力形成和产量建成不可或缺的大量营养元素。当前农业生产中，为追求高产而过量施用氮肥的现象仍然普遍存在，不仅增加生产成本，也会带来土壤酸化、水体富营养化等环境问题。因此，解析小麦氮素吸收与利用效率形成的分子调控机制，是培育氮高效小麦品种、实现绿色高效生产的重要科学基础。

光照强度不仅决定作物光合作用和碳同化水平，也深度参与调控氮素吸收、转运和同化过程。已有研究表明，弱光会改变小麦对不同氮源的响应，高光则可促进根系硝酸盐（NO3-）吸收。然而，在小麦中，外界光信号如何被转化为根系硝酸盐吸收能力的变化，其关键转录调控节点和直接靶基因尚不清楚。HY5是植物光信号通路中的核心bZIP转录因子，在拟南芥、玉米等植物中被认为能够连接光响应与氮代谢过程，但TaHY5是否通过直接调控特定硝酸盐转运蛋白基因参与小麦光依赖的氮素吸收，仍有待系统阐明。

近日，河南农业大学小麦玉米作物高效生产全国重点实验室/作物基因组工程中心吉满春团队联合相关单位，在The Crop Journal发表了题为“TaHY5 directly targets TaNRT2.4-7A/B and regulates nitrogen uptake in wheat in a light-dependent manner”的研究论文。该研究以小麦幼苗为材料，结合不同光强处理、TaHY5过表达与敲除材料、根系硝酸盐流速测定、酵母功能互补、启动子顺式元件分析、EMSA和LUC报告系统，揭示了“光照-TaHY5-TaNRT2.4-7A/B硝酸盐吸收”调控模块，为理解变光环境下小麦氮素获取机制提供了新的分子证据。

低光抑制小麦根系发育和氮素积累

研究团队设置高光（180 μmol m-2 s-1）和低光（90 μmol m-2 s-1）两种光强条件，比较小麦幼苗的生长、叶绿素含量、全苗氮含量及根系硝酸盐吸收能力。结果表明，低光条件显著改变幼苗生长模式：地上部表现为株高增加，而根系发育受到明显抑制，根长、根鲜重和根冠比均下降。与此同时，低光还显著降低总叶绿素含量和全苗氮含量，说明弱光环境会同步削弱小麦根系发育和氮素积累能力（图1）。

转录水平分析进一步表明，低光广泛抑制氮素利用相关基因的表达，包括硝酸盐转运、硝酸盐还原、铵转运和氮同化等多个过程相关基因。RT-qPCR对TaNRT2.4、TaNR、TaAMT1;1和TaGLU2等代表性基因的验证结果与转录组数据一致，支持了低光导致小麦氮素吸收与同化网络整体下调的结论。

图1 不同光照强度下小麦幼苗表型、生理指标和氮素积累变化

TaHY5 过表达部分缓解低光对硝酸盐吸收的抑制

在光强响应分析中，TaHY5-6A、TaHY5-6B和TaHY5-6D的表达均受光照调控，其中高光条件下TaHY5表达水平高于低光。为验证TaHY5在小麦氮素吸收中的功能，研究团队进一步构建并筛选TaHY5过表达材料，同时利用Tahy5敲除材料开展比较分析。

结果显示，在高光和低光条件下，TaHY5过表达株系OE#6和OE#39均表现出更强的根系硝酸盐内流，并维持较高的根长、根冠比、叶绿素含量和全苗氮含量。虽然低光仍会整体降低各基因型的生长和氮素相关性状，但TaHY5过表达材料在低光下仍优于野生型Fielder，说明TaHY5能够在一定程度上缓解弱光对小麦硝酸盐吸收和氮素积累的抑制效应。

TaNRT2.4-7A/B是TaHY5正向调控的高亲和硝酸盐转运蛋白基因

在低光响应的氮素利用相关基因中，TaNRT2.4-7A和TaNRT2.4-7B与 TaHY5 呈现稳定的表达关联，被进一步确定为重点候选靶基因。定量表达分析显示，在TaHY5过表达株系中，TaNRT2.4-7A和TaNRT2.4-7B的转录水平显著升高；而在Tahy5敲除材料中，二者表达明显降低，表明这两个硝酸盐转运蛋白基因受到TaHY5的正向调控（图2）。

启动子分析发现，TaNRT2.4-7A和TaNRT2.4-7B上游1.5 kb区域均含有多个G-box顺式作用元件，为TaHY5的直接结合提供了潜在位点。进一步的酵母功能验证表明，将TaNRT2.4-7A或TaNRT2.4-7B导入硝酸盐吸收缺陷型突变体后，能够恢复其在硝酸盐为氮源条件下的生长。动力学分析显示，TaNRT2.4-7A和TaNRT2.4-7B的Km 分别为230.35 μmol L-1和315.56 μmol L-1，说明二者均编码高亲和硝酸盐转运蛋白。

图2 TaHY5 正向调控TaNRT2.4-7A/B 表达并鉴定其硝酸盐转运活性

TaHY5直接结合G-box元件并激活TaNRT2.4-7A/B启动子活性

为进一步证明TaHY5与TaNRT2.4-7A/B之间的直接调控关系，研究团队开展了EMSA和LUC报告实验。EMSA 结果显示，TaHY5-GFP 蛋白能够与TaNRT2.4-7A和TaNRT2.4-7B启动子中含 G-box 的片段形成明显的DNA-蛋白复合物；随着标记探针浓度增加，结合条带增强，而加入未标记竞争探针后，结合信号逐渐减弱，表明 TaHY5对这些G-box片段具有特异结合能力。

瞬时表达 LUC 报告实验进一步表明，在烟草叶片中共同表达TaHY5与TaNRT2.4-7A或TaNRT2.4-7B启动子报告载体后，LUC信号和相对荧光素酶活性均显著增强，说明TaHY5能够激活这两个靶基因的启动子活性。基于上述结果，研究提出：高光条件诱导TaHY5表达，TaHY5直接结合TaNRT2.4-7A/B启动子中的G-box元件并激活其转录，从而促进根系硝酸盐内流和小麦氮素积累；低光条件下TaHY5表达下降，导致该调控分支被削弱，进而限制硝酸盐吸收（图3）。

图3 光照强度介导TaHY5调控TaNRT2.4-7A/B表达和硝酸盐吸收的工作模型

研究意义

该研究首次系统揭示了TaHY5通过直接靶向TaNRT2.4-7A/B调控小麦光依赖硝酸盐吸收的分子机制，将光信号转导与根系氮素获取过程连接起来，丰富了禾本科作物HY5调控网络的认识。研究结果不仅为解析小麦在弱光、密植、阴雨寡照等复杂光环境下的氮素吸收适应机制提供了理论基础，也为通过分子育种或基因调控改良小麦氮素获取能力和氮肥利用效率提供了潜在靶点。

来源：The Crop Journal

编辑丨张英姿

一审丨王坤

二审丨聂凯