JIPB近日在线发表了6163银河.net163.am、细胞活动与逆境适应教育部重点实验室何凯课题组题为“Nitrate Transporter NRT1.1 and Anion Channel SLAH3 Form a Functional Unit to Regulate Nitrate-Dependent Alleviation of Ammonium Toxicity”的研究论文。该研究发现拟南芥NO3-转运蛋白NRT1.1和NO3-通道蛋白SLAH3相互作用形成一个功能单元，在高NH4+/低NO3-条件下介导NO3-的跨膜循环，从而有效抑制了铵胁迫引起的根围酸化，达到缓解铵毒的目的。
氮（nitrogen）是地球上所有生命有机体所必需的营养元素，对于高等植物而言，它是蛋白质、核酸以及叶绿素的重要组成成分，被称为“生命的元素”。硝酸根离子（NO3-）和铵根离子（NH4+）是植物利用的主要无机氮源。然而令人费解的是，当NH4+作为唯一或主要氮源时，植物不但不能正常生长，反而产生显著的毒害，即叶片黄花严重、根的生长受到严重抑制的现象，称为铵毒（ammonium toxicity）。在农业生产中，硝态氮肥（主要是NO3-）被发现能够有效的缓解铵毒，这很大程度上增强了作物的氮素利用效率（nitrogen use efficiency，NUE），提高了作物的产量，然而硝态氮肥缓解铵毒的具体分子机理尚不明确。
何凯课题组的研究发现，拟南芥NO3-外排通道蛋白SLAH3通过抑制根围酸化而参与植物依赖于硝酸根的解铵毒（nitrate-dependent alleviation of ammonium toxicity）过程。外源施加NO3-或者由SLAH3外排NO3-，均能显著缓解植物的铵毒症状。此外，高NH4+/低NO3-、低pH条件能够明显增强植物对NO3-的吸收，说明铵胁迫既能增强NO3-的外排，也能增强NO3-的吸收。进一步研究发现，NO3-/H+同向转运蛋白NRT1.1直接参与了植物依赖于硝酸根的解铵毒过程。在高NH4+/低NO3-条件下，nrt1.1突变体表现出了与slah3类似的铵毒表型，并且nrt1.1-1 slah3-4双突变体的表型与单突变体无显著差异。将培养基的初始pH固定在较高值时，上述所有突变体的表型都得到的显著的恢复。上述结果说明在植物依赖于硝酸根的解铵毒过程中，NRT1.1和SLAH3同等重要，缺一不可，并且都是通过抑制根围酸化而发挥功能。随后的研究证实，NRT1.1和SLAH3能够发生相互作用，从而形成转运蛋白-通道蛋白的复合物而参与解铵毒过程。有趣的是，在高NH4+/低NO3-、低pH条件下，SLAH3介导的NO3-外排在nrt1.1突变体中明显减少，而NRT1.1介导的NO3-吸收在slah3突变体中显著减弱。由于NRT1.1和SLAH3能够相互作用，因此避免了NO3-在外排和内流过程中的扩散和稀释，从而保证了铵胁迫下植物对NO3-的高效跨膜循环，以达到抑制根围酸化的目的。该研究揭示了植物如何利用NO3-缓解铵毒害的工作机制，以及NRT1.1-SLAH3功能单元介导的NO3-的高效跨膜循环在这个过程中的核心作用。
植物利用硝酸根离子缓解铵毒害的工作模式
当野生型拟南芥即WT处于高NH4+/低NO3- 条件时，NH4+的大量吸收造成H+外排，导致根围酸化。此时NRT1.1介导NO3-/H+的同向内流，从而降低了胞外的H+浓度，抑制了根围酸化，缓解了铵毒症状。由于胞外的NO3-浓度较低，无法持续抑制根围酸化。因此，植物通过SLAH3来促进胞内NO3-的外排，使得NO3-在根围维持一定的浓度，以供NRT1.1介导NO3-/ H+的同向内流。最终，在NRT1.1-SLAH3复合物的协同作用下，引起了NO3-的高效跨膜循环，从而有效地抑制了根围酸化，缓解了铵毒症状。然而，在nrt1.1或slah3突变体中，NO3-的跨膜循环不复存在，导致根围持续酸化，从而加剧了植物的铵毒症状。
在低pH条件下，土壤微生物的硝化作用被抑制，所以在酸性土壤中，NH4+含量高而NO3-含量低，植物更容易遭受铵毒。全世界可用的耕地中，大部分为酸性土壤（包括我国南方的大部分耕地）。过量施用铵态氮肥会加剧土壤的酸化，会极大地限制农作物的产量和品质，不利于农业的可持续发展。虽然硝酸盐可以极大地提高作物产量，但硝酸盐合成过程需要消耗很多能量，并且对安全的要求极高。因此，深入研究NRT1.1-SLAH3功能单元在植物平衡无机氮吸收、调节土壤酸度过程中的核心作用，有利于从分子水平上阐明植物调节氮素平衡吸收的信号通路，为构建高NUE、抗酸化环境的新型农作物提供重要的科学依据。
6163银河.net163.am博士后肖成斌为该论文的第一作者，何凯教授为通讯作者。6163银河.net163.am已毕业的孙豆豆博士，在读研究生刘倍贝、方显明、李鹏程、姜姚、何明明，6163银河.net163.am黎家教授和美国加州大学伯克利分校栾升教授均参与了该项研究。该研究得到了自然科学基金委面上项目、农业农村部转基因重大专项及6163银河.net163.am、甘肃省科技厅、教育部相关项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.13239
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