全 文 ：·综述与专论· 2014年第6期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
氮素是植物体最重要的矿质营养元素，对植物
的生长发育、产量及品质形成起着重要的作用［1］。
铵态氮（NH4
+）和硝态氮（NO3
-）是植物从土壤中
吸收的两种主要的矿质氮源。在通气良好的旱田土
壤中，植物主要是以 NO3
- 为主要氮源 ；而在淹水的
状态下，土壤中的氮素主要是以铵态氮（NH4
+）形
式存在［2］。NO3
-不仅可以作为营养物质调控植物的
生长，还可以作为重要的信号物质调控下游基因的
转录、种子萌发、气孔活动以及植物形态发展［3，4］。
到目前为止，在拟南芥、水稻、大麦等植物上已克
收稿日期 ：2013-11-03
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31301837），中国烟草总公司特色优质烟叶开发重大专项浓香型项目（110201101001TS-01）
作者简介 ：贾宏昉，男，博士，讲师，研究方向 ：植物营养分子遗传 ；E-mail ：jiahongfang@126.com
通讯作者 ：刘国顺，男，教授，博士生导师，研究方向 ：烟草生理生化 ；E-mail ：liugsh1851@163.corn
高等植物硝酸盐转运蛋白的功能及其调控机制
贾宏昉 张洪映 刘维智 崔红 刘国顺
（河南农业大学烟草学院 国家烟草栽培生理生化基地，郑州 450002）
摘 要 ： 硝酸盐是植物从土壤中吸收的重要无机氮素形态。植物为适应含有不同浓度 NO3
-的土壤环境，进化出了高亲和硝
酸盐转运系统（HATS）和低亲和硝酸盐转运系统（LATS），两个基因家族 NRT1 和 NRT2 家族分别参与了 LATS 和 HATS 的 NO3
-
的吸收和转运。近年来，随着分子生物学技术和植物基因组学的快速发展，研究人员克隆出了大量参与硝酸盐吸收和转运的基因，
并对这些基因的功能进行了深入研究，逐渐形成了复杂的硝酸盐调控网络。综述了植物中硝酸盐转运蛋白基因的克隆、表达及调控，
并对进一步的研究作了展望，这些结果对于理解植物硝酸盐吸收的调控机制具有重要作用。
关键词 ： 高等植物 硝酸盐转运蛋白 调控机制 进展
Function and Regulation Mechanisms of Nitrate Transporters in
Higher Plants
Jia Hongfang Zhang Hongying Liu Weizhi Cui Hong Liu Guoshun
（College of Tobacco Science，Henan Agricultural University ；National Tobacco Cultivation，Physiology and Biochemistry Research Center，
Zhengzhou 450002）
Abstract: Nitrate（NO3
-）is main nitrogen sources which plants absorb from soil. There are two different uptake systems in plants
to cope with low or high NO3
- concentrations in soil, the high affinity systems（HATS）and low affinity NO3
- uptake systems（LATS）. It is
suggested that NRT1 and NRT2 families contribute to LATS and HATS for both NO3
- uptake and distribution within the plant. Specific transport
systems are essential for the uptake of NO3
- and for its internal redistribution within plant. Over the past years, a significant advance has been
obtained on the gene cloning, expression regulation and functional characterization of NRT1/2 transporters in higher plants. In this article, the
research progresses on molecular level of known Nitrate transporters in higher plant in last decade were reviewed.
Key words: Higher plants Nitrate transporters Regulation mechanism Recent advances
隆多个硝酸盐转运蛋白［2，5］。人们对植物吸收 NO3
-
的分子生物学基础已经有了相当了解，这方面的研
究将有助于人们更好地理解植物是如何吸收氮素以
及这种吸收过程是如何受到调控的，对今后进行作
物氮高效品种改良具有重要意义。
1 植物硝酸盐转运蛋白的生理功能
植物根系从土壤中吸收 NO3
-、植物体内 NO3
-的
运输和细胞内 NO3
-再分配都需要硝酸盐转运蛋白来
执行，编码硝酸盐转运蛋白主要有 NRT1 和 NRT2
家族，分别负责低亲和（LATS）和高亲和（HATS）
2014年第6期 15贾宏昉等 ：高等植物硝酸盐转运蛋白的功能及其调控机制
硝 酸 盐 转 运 系 统。 当 外 界 NO3
-浓 度 在 1 μmol/L-1
mmol/L 时，负责 NO3
-的吸收主要是高亲和转运系
统（HATS）；而当外界 NO3
-浓度高于 1 mmol/L 时，
NO3
-吸收的主要由低亲和转运系统（LATS）负责［6，7］。
HATS 又包括诱导型高亲和转运系统（iHATS）和组
成型高亲和转运系统（cHATS）；LATS 又包括诱导
型低亲和转运系统（iLATS）和组成型低亲和转运系
统（cLATS）［5］。随着分子生物学研究技术和生物信
息学的日趋成熟，很多参与硝酸盐转运的基因已经
被相继分离、克隆，并对其功能做了较为深入的鉴
Casparian band
Epidermis Cortex Endodermis
Pericycle/
Parenchyma
Xylem
LATS
HATS
NRT2.1
SLAH3
NRT1.1
Guard cell
CLCa,b
Vacuole
Mesophyll cell
NRT2.7
A
B
Vacuole
Embryo cell
NRT2.2
NRT2.4
NRT1.1 CHL1
NRT1.2
UptakeNRT1.8
NRT1.9
N
RT1.5
NR
T1
.4
Pe
tdi
e s
tor
e
Rem
obi
lizeNR
T1:
7
NRT1:6
Seed
X
ylem
NAXT1
Efflux
NRT1.1 CHL1
NRT2.4
NRT1.2
NRT2.1
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
H+ ?
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
NO3
Key: NAXT1
NRT1.5
NRT1.8
H+
图 1 拟南芥硝酸盐转运蛋白的分布［7］（颜色标识见电子版）
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期16
定（图 1）［7］。
1.1 NRT1家族转运蛋白
植物中 NRT1 属于小肽转运体（Peptide transp-
orters，PTR）家族，一般含有 450-600 个氨基酸，
有 12 个跨膜结构域，在 NRT1 的第 6 个和第 7 个
跨膜域之间有一个大的亲水环状结构。双子叶植
物拟南芥 NRT1 家族有 53 个成员基因，其中 CHL1
（AtNRT1.1）是最早被克隆的 NRT1 家族成员［8］，随
后大量拟南芥中 NRT1 成员基因被克隆出来。继
AtNRT1.1 基因以后，人们又在拟南芥中克隆到多
个 NRT1 基因，其中 AtNRT1.2 是一个组成型表达基
因，是拟南芥 cLATs 的成员［9］。该基因与 AtNRT1.1
有所不同，AtNRT1.2 只具有低亲和力硝酸盐转运特
性的转运蛋白，并不具有高亲和力硝酸盐转运特性。
AtNRT1.4 主要在叶柄及叶脉表达，可以调控硝酸盐
在叶片的分配［10］；AtNRT1.5 主要在根部靠近木质部
的薄壁细胞表达，主要负责将硝酸盐向木质部运输，
从而调控硝酸盐由地下向地上的长距离运输［11］；与
AtNRT1.5 不同的是 AtNRT1.8 在地上部及地下部靠
近木质部的薄壁细胞都有表达，通过将木质部的硝
酸盐向外运出调控硝酸盐在地上及地下的分配［12］；
AtNRT1.6 主要通过调控硝酸盐从母体向胚的运输影
响胚的早期发育［13］；AtNRT1.7 主要在叶片韧皮部的
薄壁细胞表达，负责将硝酸盐向韧皮部运输从而调
控衰老叶片中硝酸盐的再利用［14］；而 AtNRT1.9 主
要在根部韧皮部细胞表达，通过将硝酸盐向根系韧
皮部运输调控硝酸盐的分配和再利用［15］。
到目前为止，人们已在番茄（Lycopersicon escu-
lentum）、水稻（Oryza sativa）、烟草（Nicotiana plu-
mbaginifolia）、油菜（Brassica napus）和苜蓿（Med-
icago truncatula）等植物中都克隆到了 NRT1 家族
基因，其中水稻 NRT1 家族成员最多，至少有 100
多个［16］。大量的研究表明 NRT1 家族基因并不一
定只是低亲和硝酸盐运输蛋白，已报道的拟南芥
CHL1 和苜蓿 MtNRT1.3 被验证是双亲和硝酸盐运输
蛋白［17-19］。
1.2 NRT2家族转运蛋白
NRT2 属于硝酸盐-亚硝酸盐转运体家族，该家
族 属 于 MFS（Major facilitator superfamily，MFS） 超
家族成员。第一个 NRT2 家族基因是在真核生物曲
霉菌（Aspergill usnidulans）中克隆到的 CrnA（NRTA）
基因［20］，将 CrnA 基因注射蟾卵异源表达系统后发现，
硝酸盐的跨膜运输有 2 种机制 ：介质 NO3
-浓度较低
时，是 H+ 偶联的 2H+/1NO3
-共转运的主动转运机制，
Km 值为 24 μmol/L
［21］；当介质 NO3
-浓度较高时采用
被动吸收机制吸收 NO3
-，Km 值为 127 μmol/L
［22］。但
是植物的 HATS 似乎只是单一的 2H+/1NO3
-共转运系
统。自从真菌中克隆到 CrnA 基因之后，人们随后在
单细胞绿藻（Chlamydomonas reinhartii）和海洋蓝藻
（Marine cyanobacterium）也分离到 NRT2 基因［23，24］。
最早分离的植物 NRT2 基因是大麦基因 HvNRT2.1
和 HvNRT2.2［25］。到目前为止，人们已在不同高等
植物中分离到几十个 NRT2 基因。在同一种植物中，
一般有多个 NRT2 基因，如在大麦中可能有 7-10
个 NRT2 基因，但是目前只克隆到其中的 4 个 ；在
拟南芥中可能有 7 个 NRT2 基因。在水稻中已经
克隆的高亲和硝酸盐运输蛋白基因有 OsNRT2.1、
OsNRT2.2、OsNRT2.3 和 OsNRT2.4 及 两 个 NAR2s
（OsNAR2.1 和 OsNAR2.2），其中 OsNRT2.3 又通过选
择性剪切转录成 OsNRT2.3a 和 OsNRT2.3b 两个转录
本［26-28］。Tang 等［28］的研究表明 OsNRT2.3a 在水稻
硝酸盐从地下部向地上部运输过程中起关键作用，
而 OsNRT2.3b 在水稻前期氮素积累和后期氮素转运
中发挥关键作用，该基因过量表达显著提高了水稻
的氮素利用效率和产量。最近本课题组利用 RACE-
PCR 方法从普通烟草（Nicotiana tabacum）中克隆
出来 5 个高亲和硝态氮转运蛋白基因（NtNRT2.1-
NtNRT2.5），其中 NtNRT2.1 为已报道的基因，其余 4
个基因均未报道，初步结果表明其余 4 个基因均受
硝酸盐诱导增强表达。
目前已有的报道表明部分单独的高亲和磷转运
蛋白并不具有 NO3
-转运功能，其功能的发挥依赖
于 NAR2 蛋 白 的 辅 助。 在 绿 藻 中 Zhou 等［29］ 利 用
蟾卵异源表达系统证实只有同时注射 CrNRT2.1 和
CrNAR2 的 mRNA 的蟾卵才具有 NO3
-的运输活性。
高等植物也具有这种双组份运输系统，Tong 等［30］
从大麦上克隆得到 3 个 NAR2s 类似的基因，将 3 个
NAR2 和 HvNRT2.1 mRNA 分 别 注 射 到 蟾 卵 时， 只
有 HvNAR2.3 和 HvNRT2.1 同 时 注 射 时 才 有 硝 态 氮
2014年第6期 17贾宏昉等 ：高等植物硝酸盐转运蛋白的功能及其调控机制
运输活性。在植物上的研究表明 NAR2 和 NRT2 蛋
白之间作用也不是特异的，Orsel 等［31］通过酵母双
杂交和蟾卵异源表达证明在拟南芥中 AtNAR2.1 与
AtNRT2.1 蛋白相互作用行使硝酸盐运输功能，同
时他们在酵母双杂交时还发现 AtNRT2s 其他成员
AtNRT2.3 和 AtNAR2.1 蛋白之间有微弱的互作。体
外蛋白杂交的结果也表明 HvNAR2.3 和 HvNRT2.1、
AtNAR2.1 与 AtNRT2.1 蛋白在根系细胞膜上存在互
作［32，33］。Kotur 等［34］进一步发现除了 AtNRT2.7 的
其他 AtNRT2s 成员，即 AtNRT2.1-AtNRT2.6 蛋白都
需要 AtNAR2.1 蛋白的协助才能定位于拟南芥原生
质体膜上，在蟾卵和酵母双杂交系统 AtNRT2.1-2.6
蛋白和 AtNAR2.1 蛋白的互作也得到验证。已有的
报道表明 NAR2s 蛋白都是小蛋白，仅有 200 多个氨
基酸 ；AtNAR2.1 和 HvNAR2.1 的蛋白结构中 2 个跨
膜域形成一个大的环状结构域，该环状结构域是和
NRT2 作用的关键区域［30，32］。
1.3 植物硝酸盐运输蛋白的其他功能
研究表明硝酸盐运输蛋白基因存在着其他功能
特性。在拟南芥中 CHL1 基因突变影响初生器官的
发育，通过 CHL1 启动子融合 GFP 和 GUS 蛋白发现
CHL1 基因在叶片保卫细胞中强烈表达 ；进一步研究
发现该基因通过改变气孔开放和蒸腾作用提高植物
的抗干旱能力［35，36］。最近 Li 等［37］通过对 atnrt1.8
突变体的研究发现该基因具有调节植物对镉毒害抗
性的作用。硝酸盐转运蛋白可以调控植物的根系形
态建成。最先报道的是拟南芥 AtNRT1.1 基因，它能
感知外界 NO3
-和Glu 信号从而影响植物根系形态建
成 ；进一步的研究表明 AtNRT1.1 通过诱导 ANR1 基
因的表达来影响侧根的发生和发育［38］。除 AtNRT1.1
影响根系形态建成外，在低硝酸盐的外界条件下
AtNRT2.1 在拟南芥根系形态建成中也发挥重要作用，
其作用机制一方面是通过硝酸盐吸收系统间接地影
响根系形态 ；另一方面是在氮缺乏条件下直接影响
侧根的发生［39，40］。
2 植物硝酸盐转运蛋白的表达调控机制
植物硝酸盐转运蛋白的表达水平（mRNA 和蛋
白）调控决定着对硝酸盐的吸收。硝酸盐转运蛋白
表达受到很多因素的调控，如 NO3
-、NO2
-、NH4
+、
pH 和光等，许多调控 NO3
-吸收的分子机制已经得
到了证实（表 1）。
2.1 硝酸盐转运蛋白的表达活性受NO3
-调控
植物的高亲和硝酸盐转运系统能够迅速被外界
的硝酸盐诱导，但是数小时后吸收速率显著下降，
推测可能是由于 NO3
-吸收后代谢产物或者内部 NO3
-
的反馈抑制作用。在大麦、大豆、拟南芥以及水稻
中，经氮素饥饿处理过的植株在恢复外界 NO3
-供应
后，即使外界 NO3
-浓度只有 10-50 μmol/L，植物体
内 NRT 家族基因的 mRNA 丰度也会迅速升高［40］。
在拟南芥中 AtNRT2.1 和 AtNRT2.2 两个基因受 NO3
-
诱导后在转录和蛋白水平的表达都迅速提高［41］，而
其他一些氮素形态比如 NH4
+［36］、谷氨酰胺［42］都
会对硝酸盐转运蛋白的表达产生一定的抑制效果。
Yan 等［26］也报道了在水稻中硝酸盐转运蛋白基因
（OsNRT2.1、OsNRT2.2、OsNRT2.3a、OsNAR2.1） 表
达受 NH4
+ 和天冬氨酸的抑制。
AtNRT1.1 是硝酸盐的重要感受器，能感知外
界硝酸盐浓度并通过调节自身 N 端 Thr101 的磷酸
化状态而对硝酸盐表现不同的亲和特征，当外界
硝 酸 盐 浓 度 较 高 时，AtNRT1.1 的 Thr101 去 磷 酸
化，表现低亲和特性，此时 AtNRT1.1 抑制 AtNRT2.1
和 AtNAR2.1 的 表 达 ；当 外 界 硝 酸 盐 浓 度 较 低 时，
CIPK23 催化 AtNRT1.1 的 Thr101 磷酸化，使其表现
高亲和特性［43］。
2.2 硝酸盐转运蛋白的表达活性受pH调控
Zhou 等［44］研究表明 pH 能够导致转运蛋白对
与之结合底物的改变，在 pH6.0 下 BnNRT1.2 蛋白
可以大量运输硝态氮，但在 pH8.5 条件下该蛋白又
能大量运输组氨酸。Tong 等［30］发现 HvNRT2.1 和
HvNAR2.3 的双组份高亲和硝态氮运输蛋白的活性
随着细胞质酸化而减弱，推测可能是因为细胞质内
的酸性 pH 影响了 HvNRT2.1 和 HvNAR2.3 的二聚体
的正确折叠进而导致蛋白活性下降。
2.3 硝酸盐转运蛋白的表达活性受昼夜节律调节
植物 NO3
-吸收在白天最高夜间最低。研究发现
AtNRT1.1 和 AtNRT2.1 基因的 mRNA 表达结果出现
一致的趋势，说明昼夜节律对 NRT 家族基因起调节
作用。另外，在遮光下供应蔗糖也能让基因转录水
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期18
平的表达大为提高［45］。说明 NRT 基因受昼夜节律
调节关键的影响是光合作用的产物量，而 6-磷酸 -
葡萄糖作为信号物质调控 AtNRT1.1 和 AtNRT2.1 基
因的表达。
2.4 硝酸盐转运蛋白的表达活性受NAR2蛋白的协
同调控
对于某些高亲和硝酸盐转运蛋白需要其伴侣蛋
白调控其活性，拟南芥（AtNRT2.1）、大麦（HvNRT2.3）
以 及 水 稻 的（OsNRT2.1，OsNRT2.1，OsNRT2.3a）
等转运蛋白都需要在 NAR2 蛋白存在条件下才具有
硝酸盐运输活性，AtNRT2.1-AtNRT2.6 蛋白都需要
在 AtNAR2.1 蛋白辅助下共定位到细胞质膜上。因此，
NAR2 很可能是高亲和硝酸盐转运蛋白的调控因子。
2.5 硝酸盐转运蛋白的表达活性在蛋白水平上的
调控
人们早期关于 NRT2 家族基因的研究表明 NRT2
基因的 mRNA 水平和硝酸盐转运蛋白活性相关性较
大。最近，Laugier 等［43］将 35S-AtNRT2.1 转入突变
体 atnrt2.1 得到基因回补植株，研究发现黑暗条件
下野生型拟南芥中 AtNRT2.1 的 mRNA 水平和硝酸
盐转运蛋白活性下降，但是回补植株的 AtNRT2.1 的
mRNA 表达水平虽然没有变化，其 HATS 活性也下
降，蛋白检测表明是因为基因在蛋白水平表达降低
了［46］。这表明硝酸盐转运蛋白的表达活性在蛋白水
表 1 植物硝酸盐转运蛋白基因受外界调控的研究进展
基因名称 物种 NO3
-调控 其他调控 参考文献
AtNRT1.1（CHL1） 拟南芥 诱导 生长素、光、蔗糖、短期 NO2
-诱导 ；缺 N、长期 NO2
-和高 pH 抑制 ［3，4，45，47］
AtNRT1.3 拟南芥 诱导 光诱导 ［48，49］
AtNRT1.5 拟南芥 诱导 糖诱导 ；高 pH 和钾抑制 ； ［11］
AtNRT1.6 拟南芥 -- 缺 N 诱导 ［13］
AtNRT1.7 拟南芥 -- 缺 N、蔗糖诱导 ［14］
AtNRT1.8 拟南芥 诱导 钙诱导 ［12］
AtNRT1.9 拟南芥 -- 蟾卵异源表达 ；T-DNA 插入突变体 ［15］
AtNRT2.1 拟南芥 诱导 糖和光诱导 ；NH4
+ 和 Gln 抑制 ［48，50，51］
AtNRT2.2 拟南芥 诱导 ［48，52］
AtNRT2.3 拟南芥 诱导 ［48，52］
AtNRT2.4 拟南芥 抑制 缺 N 诱导 ；NH4
+ 抑制 ［48，52，53］
AtNRT2.5 拟南芥 抑制 葡萄糖诱导 ［48，52，54］
AtNRT2.7 拟南芥 组成型 ［49，52］
ZmNRT2.1
玉米 诱导 葡萄糖抑制，蔗糖上调表达 ［55］
ZmNRT2.2
OsNAR2.1
水稻 诱导 光和糖上调 ；NH4
+、天冬氨酸下调 ［26，56］
OsNRT2.1
OsNRT2.2
OsNRT2.3a
OsNRT2.4
OsNRT2.3b 水稻 -- 光和糖上调 ［26，56］
平上的调控更为重要。
3 硝酸盐响应的顺式作用元件（NRE）和转
录因子（TF）
植物中存在可能的响应硝酸盐的顺式作用元
件 NRE（Nitrate responsive cis-elements，NRE）。
Rastogi 等［57］在菠菜 NiR 基因启动子序列中找到位
于 -200 bp/-230 bp 的 GATAN24bpGATA 序 列 是 响
应硝酸盐的关键元件，而且能和 GATA 类型的转录
因子结合。另一个顺式元件‘5-（A/T）7A（C/G）
TCA-3’是发现于 AtNIA1、AtNIA2 基因，被认为是
可能的 NRE，但是也没有在植物体内验证该 NRE 的
活性。Girin 等［50］发现 AtNRT2.1 启动子中一段 150
bp 的序列是 NRE，并且在融合 35S 最小启动子启动
的报告基因在转基因拟南芥中有硝酸盐响应的活性。
2014年第6期 19贾宏昉等 ：高等植物硝酸盐转运蛋白的功能及其调控机制
2010 年，Konishi 等［58］报道 AtNIR1 基因启动子序
列一段 -43 bp 的序列 5-GACCCTTNAAG-3 为 NRE，
这段序列在融合 35S 最小启动子和报告基因转入拟
南芥后报告基因 GUS 具有响应硝的活性。到目前为
止还很难找到在所有不同硝酸盐诱导的基因启动子
序列中都保守的 NRE，这可能是因为对硝酸盐响应
的转录因子需要与多个 NRE 结合。目前在植物中还
没有明确被验证的和这些 NRE 结合的硝响应的转录
因子，仅在真菌和绿藻中发现属于 GATA 类型的转
录因子 NirA 和 NIT4，能够调节硝酸盐响应基因的
表达［59］。
4 结语
如何提高作物氮素利用率是目前生产中急需解
决的问题。作物的高产和氮素利用率密不可分，随
着分子生物学技术的发展，人们越来越重视从分子
水平上对作物的氮素利用效率进行遗传改良。硝酸
盐转运蛋白在作物吸收和转运硝酸盐过程中起关键
作用。通过调控硝酸盐转运蛋白的表达可以提高作
物的氮素利用率，为通过基因工程手段提高作物
氮素利用效率提供了重要的理论依据。到目前为
止，虽然已从不同植物中克隆出了多个硝酸盐转运
蛋白基因，并通过过量表达植物硝酸盐转运蛋白基
因研究了一些硝酸盐转运蛋白的功能，但是由于这
些基因通常属于一个多基因家族，单个硝酸盐转运
蛋白基因所发挥的具体功能还不是特别清楚。例
如，研究表明某些硝酸盐转运蛋白还具有负责其
他元素的吸收及提高作物抗逆性的功能等。因此，
仍然需要不断深入的研究硝酸盐转运蛋白的基因
功能。
硝酸盐的吸收与利用是一个复杂的过程，除了
硝酸盐转运蛋白外，还有许多硝酸盐相关的转录因
子及调控基因参加这个过程。目前有关硝酸盐转录
因子的研究还很少，与之相关的基因尚未被鉴定。
随着对硝酸盐信号途径的研究，发现相关硝酸盐转
运蛋白基因、激素、转录因子基因通过复杂的代谢
网络调控植物的生长发育，但这复杂的基因调控网
络目前尚未解析。因此，采用转录组测序以及功能
基因组研究技术研究硝酸盐信号途径将是今后研究
工作的一个重点。
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（责任编辑 狄艳红）