菌根真菌是土壤中一類古老的有益真菌，能夠與地球上90%以上的陸地植物的根系形成“菌根”互惠共生體，促進植物對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收利用，并提高植物抵御生物和非生物脅迫的能力。因此，研究菌根共生不僅可以揭示植物對環(huán)境適應(yīng)的演化機制，而且對于提高資源利用效率，減少化肥施用，保護生態(tài)環(huán)境和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
氮和磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需求最大的兩大必需營養(yǎng)元素。之前菌根共生提高植物對土壤磷素的吸收利用及其作用機制較為明確，也有間接證據(jù)顯示菌根真菌可以從土壤中吸收銨態(tài)氮并傳遞給植物。然而，在絕大多數(shù)的旱地土壤中，硝態(tài)氮是最主要的無機氮素形態(tài)，因此，宿主植物如何從菌根真菌獲取氮素并促進對土壤氮素的吸收利用一直不清楚。
近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院徐國華和陳愛群教授課題組在美國國家科學(xué)院院刊《PNAS》上發(fā)表了題為“Functional analysis of the OsNPF4.5 nitrate transporter reveals a conserved mycorrhizal pathway of nitrogen acquisition inplants”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)與低磷有利于菌根共生相反，提供適度的硝態(tài)氮能夠促進旱作水稻菌根共生效率。
通過15NO3-標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，水稻通過菌根真菌（菌根途徑）吸收的氮占到總氮的40%以上。采用轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)，NPF4.5及其同源基因在水稻、玉米和高粱菌根中被強烈特異誘導(dǎo)表達。通過在異源體系功能驗證和NPF4.5基因的敲除分析，明確了水稻OsNPF4.5是一個低親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白，發(fā)現(xiàn)菌根途徑貢獻的氮大約有45%通過NPF4.5轉(zhuǎn)運。增強NPF4.5表達豐度可以顯著促進水稻生長和提高氮素吸收效率。
通過對菌根共生促進氮吸收效率的科學(xué)評價和分子機制的解析（圖1），該論文首次揭示了至少在禾本科作物中存在高度保守、高效的菌根硝酸鹽吸收途徑。該研究成果為將來利用菌根共生系統(tǒng)提高植物氮素利用效率提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
該研究由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物營養(yǎng)分子遺傳課題組主導(dǎo)完成，美國德州理工大學(xué)合作參與了部分研究工作。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王雙雙博士生和陳愛群教授為共同第一作者，陳愛群教授、徐國華教授和LuisHerrera-Estrella教授為共同通訊作者。該工作主要得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0100700）、國家自然科學(xué)基金項目的資助。
圖1.硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白NPF4.5參與菌根共生途徑硝酸鹽吸收
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