韩国基础科学研究所2020年在The Plant Journal杂志上发表了题为“Concurrent activation of OsAMT1;2 andOsGOGAT1 in rice leads to enhanced nitrogen use efficiency under nitrogen limitation”研究论文。该研究发现同时激活水稻OsAMT1;2和OsGOGAT1基因可提高对氮限制的耐受性，并在全株水平上提高铵吸收和氮再动员能力。
研究背景
研究结果
监测GS的表达和活性，发现无论外部氮状况如何，突变体幼苗中两个主要细胞质GS：OsGS1;1和OsGS1;2的表达量均高于WT（图1e,f），这表明激活标记突变体的氮同化作用更好。这两个基因在双突变体中的表达水平甚至高于单突变体（图1e,f）。因此，无论氮条件如何，激活标记突变体的芽和根的GS活性均高于WT（图1g），双突变体的GS活性是不同基因型中最高的。
图1. 激活标记突变体在幼苗期对氮限制的耐受性增强
为了测试OsAMT1;2和OsGOGAT1表达的增强对氮吸收的影响，对水培7天的幼苗进行了15N标记（图2）。在15N处理12、24、36和48小时收获芽和根。所有激活突变体根中15N的吸收量都高于WT（图2a），OsGOGAT1-D1和OsAMT1;2-D2/OsGOGAT1-D1株系的吸收量更快。因此，突变体根中的总氮浓度高于WT（图2b）。
此外，突变体根中的铵浓度也高于WT（图2e）。与根相比，WT和突变体幼苗芽中15N、总氮和铵的浓度没有差异（图2c，d）。突变体幼苗根中OsAMT1;1和OsAMT1;3的表达水平升高，这与利用15NH4+测得的突变体根中较高的氮吸收水平相符（图2f,g）。
图2. 激活标记突变体对氮的吸收增强
研究人员用15N追踪试验比较了WT和突变体植株在无性生长阶段从老叶到新叶的氮转化效应。用含15NH4Cl的溶液对植物进行标记，直到发芽后的第七片叶阶段（时间T0）。在T0时，从每个基因型的五株植物中收获标记的根和叶。其余五株转入不含15N的溶液中，经过三周生长至第十片叶期（T1为追逐期结束）。在T1期，分别收获根、之前在T0期标记过的老叶（第一至第七片叶）和T0期后新长出的叶片（第八至第十片叶）进行15N分析。在T0期，WT植物和突变体植物的15N分配模式没有显著差异（图3a）。在T1期，WT和OsAMT1;2-D2植物的15N分配模式相似（图3b）。有趣的是，在T1期，OsGOGAT1-D1和双OsAMT1;2-D2/OsGOGAT1-D1新叶中15N的分配明显高于WT和OsAMT1;2-D2（图3b）。
图3. OsGOGAT1-D1单激活和双激活标记株系的氮再动员效率均有所提高
由于在常规稻田中生长时，与WT相比，突变体的叶片衰老更早，研究人员将进一步分析的重点放在旗叶上，并在谷粒灌浆期间和衰老阶段测量了它们的氮浓度。抽穗后3周，激活标记突变体旗叶中的氮含量高于WT（图4a）。由于它们含有相似数量的可溶性蛋白质和游离氨基酸（图4b、c），研究人员认为氮含量的差异是无机氮或不溶性蛋白质造成的。
在谷粒灌浆后期（打顶后7周），旗叶中的氮浓度低于打顶期（图4a）。这是因为氮从旗叶重新移动到了谷粒。有趣的是，与WT相比，单突变体和双突变体在谷粒灌浆初期和后期的N%下降幅度更大，而且突变体的蛋白质和氨基酸水平都低于WT（图4a-c）。旗叶中OsGS1;1和OsGS1;2的表达分析表明，在谷粒灌浆期，突变体中这两种物质的水平高于WT；相应地，突变体中GS的活性也较高（图4d-f）。
图5. 激活标记突变体在稻田种植时显示出更好的氮种子充实度
单激活标记突变体在幼苗期氮素限制条件下表现出更强的生长能力，但当氮素限制时间进一步延长直至谷物成熟时，它们并没有表现出更好的生长和产量（图 6a、b）。与 WT 相比，单突变体在氮限制条件下的农艺性状，如每圆锥花序种子数、生育力、单株谷物产量和其他性状都没有得到改善（图 6a-d）。单激活突变体的千粒重低于 WT（图 6e），尽管其谷粒积累的氮和蛋白质水平高于 WT（图 6f,g）。
相比之下，双激活标记突变体植株较高，在生育期氮限制条件下生长情况有所改善（图 6a-e），每圆锥花序的分蘖数和小穗数也显著增加（图 6b,c），从而提高了谷物产量（WT 的138.9%；图 6d）。双突变体的千粒重与 WT 相当（图 6e），但其谷粒中的氮浓度更高（WT 的 118.7%；图 6f）。因此，谷粒中的蛋白质浓度提高到 WT 的 115.0%（图 6g）。
图6. 在水稻中同时激活OsAMT1;2和OsGOGAT1，可在氮限制条件下提高谷物氮含量而不影响产量
评述
