氮(N)是植物生长所必需的营养元素，主要以硝酸盐的形式被植物吸收。NAR2（硝酸盐同化相关蛋白）参与硝酸盐跨膜转运，然而，NAR2基因在小麦中的表达模式和功能目前还不清楚。近日，International Journal of Biological Macromolecules发表了题为“TaNAR2.1和TaNAR2.2对小麦氮素吸收和生长的影响存在差异”的研究论文。该研究克隆了小麦两个TaNAR2基因（TaNAR2.1和TaNAR2.2），旨在通过分析TaNAR2.1和TaNAR2.2在低氮（LN）和高氮（HN）条件下的亚细胞定位、表达模式及TaNAR2.1和TaNAR2.2过表达小麦植株对硝酸盐的吸收能力和根系结构，比较TaNAR2.1和TaNAR2.2的功能差异，以及研究TaNAR2.1和TaNAR2.2对小麦生长、氮吸收和产量的影响。1. TaNAR2.1和TaNAR2.2的生物学信息分析通过全基因组扫描分析在小麦中鉴定出8个高置信度NAR2基因，其中TaNAR2.1和TaNAR2.2被划分到不同的类群。基于ExpVIP的RNA-seq数据生成的热图显示，TaNAR2.1和TaNAR2.2在29个小麦样本中的表达模式不同，TaNAR2.1在小麦的根、穗、叶中高表达，TaNAR2.2表达量则相对较低。
TaNAR2.1和TaNAR2.2基因全长分别为919 bp和1006 bp，分别编码198和199个氨基酸，两个基因存在51个碱基差异，20个氨基酸差异，但二者的蛋白质结构域是保守的。
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图1 NAR基因的生物信息分析
2. TaNAR2.1和TaNAR2.2的亚细胞定位通过在小麦原生质体中瞬时表达p35S::TaNAR2.1-GFP和p35S::TaNAR2.2-GFP载体，发现TaNAR2.1在小麦原生质体的细胞质、细胞核和质膜中均有荧光信号，不是膜特异蛋白；TaNAR2.2是胞质特异蛋白（图2）。![]()
图2 TaNAR2.1和TaNAR2.2的亚细胞定位
3. 不同氮浓度处理下小麦根系TaNAR2.1和TaNAR2.2的表达模式为了研究TaNAR2.1和TaNAR2.2对N处理的响应，检测了在LN（低氮）和HN（高氮）处理下水培不同天数的幼苗中TaNAR2.1和TaNAR2.2基因的表达水平。结果显示，TaNAR2.1表达随LN处理时间增加而增加，HN处理20-30天后TaNAR2.1表达显著上调并在20天达到峰值后下降；TaNAR2.2在LN处理20天后表达显著下调并维持在低水平，在HN供应下表达模式与TaNAR2.1表达模式一致。这些结果表明，TaNAR2.1在小麦氮素吸收中的作用可能比TaNAR2.2更重要。在相同时间不同处理下，TaNAR2.1和TaNAR2.2的表达也有显著差异，LN处理10天时TaNAR2.1表达比HN处理上调3倍，TaNAR2.2上调约1倍；LN处理20天时TaNAR2.1表达比HN处理下调0.5倍，TaNAR2.2下调0.7倍；处理30天后外部氮浓度对二者基因表达无显著影响（图3）。图3 不同氮浓度处理下小麦根系TaNAR2.1和TaNAR2.2的表达模式
4. 过表达TaNAR2.1和TaNAR2.2小麦植株的基因表达和硝酸盐吸收能力通过农杆菌介导法进行小麦遗传转化，获得过表达TaNAR2.1和TaNAR2.2的T0代转基因植株，从T2代筛选出阳性转基因植株。在LN和HN处理下，通过15N标记技术，确定TaNAR2.1和TaNAR2.2过表达小麦植株对硝酸盐吸收的影响，结果显示，LN处理下，TaNAR2.1过表达植株15N流入率比野生型增加0.5-1.2倍，HN处理下比野生型低25%-29%；在LN处理下，TaNAR2.2过表达植株15N流入率比野生型增加0.5-1.2倍，HN处理下比野生型低7%-24%。结果表明，LN条件下TaNAR2基因过表达提高了小麦对硝酸盐吸收，HN条件下TaNAR2基因过表达抑制了小麦对硝酸盐吸收，且在LN和HN下，TaNAR2.1赋予了小麦更高的硝酸盐吸收能力（图4）。![]()
图4 过表达TaNAR2.1和TaNAR2.2小麦植株的基因表达和硝酸盐吸收能力
在LN和HN的Hoagland营养液中培养TaNAR2.1和TaNAR2.2过表达植株及野生型至三叶期，发现TaNAR2.1和TaNAR2.2过表达植株的根在LN和HN条件下均比野生型生长更好。对比TaNAR2.1过表达植株、TaNAR2.2过表达植株与野生型在LN和HN条件下根的总长度、表面积、体积、分叉数和根尖数，表明TaNAR2.2对小麦根系生长的作用强于TaNAR2.1，且二者对小麦根生长的调节不受外部氮浓度的影响（图5、图6）。图5 不同氮浓度处理下TaNAR2.1过表达植株与野生型根系构型的比较
图6 不同氮浓度处理下TaNAR2.2过表达植株与野生型根系构型的比较
在温室中，观察到TaNAR2.1和TaNAR2.2过表达植株比野生型表现出更优的农艺性状。在拔节期，TaNAR2.1过表达植株的株高比野生型增加19%；TaNAR2.2过表达植株的株高比野生型增加6%。从抽穗期到灌浆期，所有植株的SPAD值先增后减，野生型下降更快。与野生型相比，TaNAR2.1过表达植株在抽穗期和灌浆期叶长增加10-15%，TaNAR2.2过表达植株无显著变化（图7）。图7 成熟期前野生型与TaNAR2.1和TaNAR2.2过表达植株的主要农艺性状比较
7. TaNAR2.1过表达对小麦氮素利用效率（NUE）相关性状的影响为研究TaNAR2.1和TaNAR2.2基因过表达对小麦氮素利用效率的影响，建立了小麦全生育期试验。在成熟期，TaNAR2.1过表达植株的株高、单株产量和每穗粒数分别比野生型增加20%、29%和33%以上，根干重有增加趋势。TaNAR2.1过表达植株增加了根和籽粒中的氮积累，籽粒氮利用效率比野生型提高23%-27%（图8）。在成熟期，TaNAR2.2过表达植株显著增加了小麦的株高，对小麦产量、籽粒无显著贡献，但显著促进根相关性状，如根干重、氮浓度和氮积累分别比野生型增加86%-140%、156%-200%和134%-175%，籽粒氮利用效率比野生型提高13%-18%（图9）。结果表明TaNAR2.1的过表达不仅改善了小麦氮利用效率，而且增加了产量，TaNAR2.2的过表达显著促进了小麦根的营养生长和生殖生长。![]()
图8 野生型和TaNAR2.1过表达植株成熟期主要农艺性状和氮素利用效率的比较
图9 野生型和TaNAR2.2过表达植株成熟期主要农艺性状和氮素利用效率的比较
该研究探索了小麦TaNAR2.1和TaNAR2.2基因对小麦氮素吸收和生长的影响的差异。通过基因克隆、亚细胞定位、表达模式分析等，表明TaNAR2.1位于细胞质、细胞核和质膜，TaNAR2.2为胞质特异蛋白；TaNAR2.1赋予了小麦更高的硝酸盐吸收能力；TaNAR2.1过表达显著提高籽粒氮素利用效率和产量，TaNAR2.2过表达增强小麦根的营养和生殖生长。研究揭示了TaNAR2.1在小麦氮积累和产量中的关键作用，TaNAR2.2对小麦根生长的重要性。该研究聚焦于小麦NAR2基因，揭示了TaNAR2.1和TaNAR2.2在小麦氮素吸收和生长发育等方面的不同作用，为提高小麦等作物的氮素利用效率提供了理论依据，有助于应对农业生产中的肥料利用和粮食产量问题。https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136320
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