首次验证！湖南农大揭示植物中液泡硝酸盐外排调控及低氮适应机制

近日，湖南农业大学资源学院张振华教授团队在Plant Physiolohy在线发表了题为“CHLORIDE CHANNEL-b mediates vacuolar nitrate efflux to improve low nitrogen adaption in Arabidopsis”的研究论文，首次验证了拟南芥中液泡硝酸盐转运子CLC-b的功能及转录因子HHO2对CLC-b的负调控机制，为植物提高低氮适应性提供了理论基础。

旱地作物以硝酸盐作为主要氮源。氮素充足时，植物根系将吸收的大部分硝酸盐存储在根系液泡（硝酸盐的重要存储区域）中。当氮素供应不足时，液泡硝酸盐的再利用显得尤为重要。硝酸盐的还原不能在液泡中进行，必须重新分配到细胞质中进行代谢，因此研究液泡硝酸盐的累积、外排机制对于植物适应低氮胁迫和提高氮素利用效率具有重要意义。2006年法国科研团队在Nature期刊首次报道了负责液泡硝酸盐累积的主效基因CLC-a，2016年湖南农业大学张振华课题组在Plant Physiolohy报道了油菜CLC-a调控氮素利用效率的主效作用。因此，进一步挖掘控制液泡硝酸盐外排的主效基因是协同提高植物氮素利用效率的关键科学问题。

图1正常氮和低氮条件下CLC-b相关遗传材料的表型

前期研究表明CLC-b是定位于液泡膜上的硝酸盐转运子，但是其调控硝酸盐内转还是外排尚不清楚，该研究发现CLC-b主要在地下部表达，并且低氮条件能够显著诱导CLC-b表达上调，利用3个clcb突变体验证其功能。结果表明，低氮条件下clcb突变体较野生型的生物量减小（图1），叶绿素含量下降，硝酸盐类似物氯酸盐抗性提高，S/R硝酸盐浓度比值降低，木质部伤流液硝酸盐浓度降低，液泡硝酸盐浓度升高。这些结果共同证明CLC-b可以促进液泡硝酸盐外排。同时，该研究还发现受低氮抑制的转录因子HHO2以二聚体的形式结合CLC-b上游启动子的GATTC-N38-GAATC基序从而负调控CLC-b的表达（图2）。

图2 HHO2直接与CLC-b启动子结合

综上表明，低氮条件下，HHO2表达下调并负调控CLC-b，导致CLC-b表达上调，促进液泡硝酸盐外排，提高氮素利用效率进而提高植物的低氮适应性（图3）。

图3低氮条件下拟南芥液泡硝酸盐外排和调控机制

资源学院罗劲松副教授和张振华教授为本文的通讯作者，已毕业硕士研究生史玉皎为本文第一作者。陈海飞副教授对本研究和论文撰写方面提供了宝贵意见。

本研究受到国家自然科学基金(U21A20236,32072664)，湖南省自然科学基金(2021JJ20001,2021JJ0004,2021RC3086)，湖南省重点科技项目(2018NK1010)和国家现代农业产业技术体系(CARS-01-02A)资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad438

转自：“iPlants”微信公众号

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