莱布尼茨植物遗传与作物研究所2017年在Molecular Plant杂志上发表了题为“A Critical Role of AMT2;1 in Root-To-Shoot Translocation of Ammonium in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现AtAMT2;1除了在低亲和力范围内适度促进根吸收外，还主要在根到芽的铵转运中发挥作用。
研究背景
植物生长和发育过程中的一个关键方面是植物通过根部吸收的养分远距离输送来有效满足地上组织营养需求的能力。就氮 (N) 而言，不同氮形式的根到地上部的分配受到一系列因素的影响，例如土壤中可用氮的形式和数量等。在大多数一年生植物中，根部吸收的硝酸盐很大一部分转移到地上部分，但以前认为铵，无论是直接从外部溶液吸收还是通过根部硝酸盐还原产生，几乎完全被根部同化。由于缺乏适当的分析方法来保证铵检测过程中样品的稳定性以及灵敏度和选择性，评估植物样品中铵浓度的早期尝试常常产生令人困惑的结果。小体积铵检测改进方法的建立表明，各种植物物种的木质部汁液中存在大量铵。然而，控制铵从根到茎易位的分子机制仍然未知。
研究结果
氮对AMT2;1表达和定位的调控
相对于在硝酸盐条件下生长，植株在无氮条件下生长5天后，AMT2;1的转录水平要高出两倍多（图1）。在铵作为唯一氮源的情况下，无论提供的是1mM还是10mM的铵，AMT2;1mRNA水平都只增加了约50%。相反，当硝酸盐供应量从1毫摩尔增加到10毫摩尔时，AMT2;1的转录水平进一步下降。利用AMT2;1的5’上游序列中的1883bp与GFP融合，可以在根的成熟区追踪到AMT2;1启动子的活性（图2），而无论氮处理如何，根尖都没有AMT2;1启动子的活性。在缺氮情况下，AMT2;1驱动的GFP表达在皮层细胞中最为明显，但在包括表皮在内的其他细胞类型中也能检测到（图2A-2C）。当硝酸盐作为唯一氮源供应给植物时，AMT2;1启动子的活性略微向内皮转移，在表皮细胞中几乎检测不到（图2D-2F）。另一方面，只提供铵会使AMT2;1的表达更多局限于内皮细胞，尤其是周细胞（图2G-2I）。
图1. 拟南芥根中氮依赖性AMT2;1的表达
图2. AMT2;1启动子活性的定位取决于氮供应的形式
AMT2;1参与根中的铵吸收
将四重敲除系amt1;1amt1;2amt1;3amt2;1（qko）与三重敲除系amt1;1amt1;2amt1;3（qko+21）一起在MeA中生长，在pH5.5条件下，50mMMeA的存在下，qko+21植物的地上部分生物量生产受到的抑制比qko更强（图3A和3B）。在更高浓度的MeA或高pH下，这种差异没有观察到（图3A-3C）。在0.2和0.5mM外部铵供应下，qko+21的15N标记NH4+短期流入并不显著高于qko（图3D）。然而，当供应1mM铵时，AMT2;1使铵流入增加约40%，而在2mM铵供应下，这种效应减少到15%。
图3. AMT2;1在毫摩尔浓度范围内有助于铵的吸收
AMT2;1参与铵从根到芽的转移
在200mM外部铵供应条件下，只有在AMT1;3而不是AMT1;2存在的情况下，AMT2;1才会使根中的15N积累增加约20%（图4A）。与此同时，qko+13+21的芽中15N积累比qko+13增加了36%，而在qko+12背景中，AMT2;1的贡献并不显著（图4B）。当植株暴露于4mM的外部铵时，根中15N的积累增加到更高的水平，而AMT2;1在两种基因背景中均无任何影响（图4C）。然而，在qko+13或qko+12插入系中共同表达AMT2;1会导致芽中的15N富集分别增加32%或25%（图4D）。
图4. AMT2;1有助于根和芽中的氮积累
为了更直接地评估AMT2;1在铵的长距离运输中的参与情况，研究人员收集了qko和qko+21植物转移到10mM铵或硝酸盐作为唯一氮源后的木质部汁液。在用硝酸盐预培养的植株中，表达AMT2;1的qko植株根中的短期15N-铵流入量没有显著变化（图5A）。然而，短期铵培养后，铵流入量增加，这很可能是由于铵诱导了AMT1;5和其他低亲和力转运体的表达。同样，在这些铵预处理植物中，AMT2;1对铵流入量没有贡献。正如预期的那样，向营养液供应铵会导致qko和qko+21植物木质部汁液中的铵浓度显著增加（图5B）。值得注意的是，在qko+21三重突变体中存在AMT2;1会导致木质部汁液中的铵含量增加约25%。铵主要在根部转化为氨基酸，并优先以谷氨酰胺的形式转运到木质部，铵营养强烈促进了谷氨酰胺浓度的增加，谷氨酰胺浓度比铵营养高出约三倍，但不受AMT2;1表达的影响（图5C）。
图5. AMT2;1对木质部负载的贡献
此外，研究人员还评估了两个独立的amt2;1T-DNA插入系的15N分离情况（图6A和6B）。在amt2;1-1（Col-gl背景）和amt2;1-2（Col-0背景）中，根中15N的积累与相应的野生型植株相当，没有显著差异（图6C）。然而，amt2;1-1和amt2;1-2植株芽中的15N积累显著减少（图6D）。在gln1;2-1突变体中，根中积累了更多的15N，与野生型植物相比，转移到芽中的15N约减少50%（图6C和6D）。
图6.amt2;1插入突变体中芽的15N转化率较低
对缺氮的野生型和amt2;1-1植物的短期15N标记铵流入量进行评估。虽然amt2;1-1植株的铵流入率在很宽的铵浓度范围内与野生型没有区别，但当提供10mM铵时，它的铵流入率明显降低，即降低了23%（图7A）。在缺铵植物中，木质部汁液中的NH4+浓度仍在毫摩尔范围内，且在amt2;1-1中略低（图7B）。然而，在铵预处理植物中，当木质部汁液中的NH4+浓度高出四倍时，amt2;1-1植物木质部汁液中检测到的NH4+浓度显著降低。
图7. AMT2;1根据植物氮状态改变木质部的铵吸收和负荷
评述
该研究揭示了AMT2;1在根到芽铵转运中的关键作用。AMT2;1在铵供应下在周皮细胞中的表达增加，促进了铵的木质部装载，从而提高了铵从根系到芽的转运效率。这些发现不仅丰富了我们对植物铵转运机制的理解，还为提高作物氮利用效率提供了潜在的应用前景。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.molp.2017.10.001
完
评述：张惠
编辑：赵一梅
林木科学评论
