全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2016, 51 (1): 120–129, www.chinbullbotany.com
doi: 10.11983/CBB14222
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收稿日期: 2014-12-30; 接受日期: 2015-05-11
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金(No.BLX2012038)和国家自然科学基金(No.31400221)
* 通讯作者。E-mail: shanxy@bjfu.edu.cn
拟南芥无机氮素转运蛋白及其磷酸化调控研究进展
张曦, 林金星, 单晓昳*
北京林业大学生物科学与技术学院, 北京 100083
摘要 氮元素是植物必需的营养元素之一, 氮素供需失衡会严重影响植物的生长发育。无机氮(硝酸根NO3–和铵根NH4+)是
植物体内氮素的主要来源, 对其有效吸收和利用依赖于多种类型转运蛋白的协同作用。其中, 部分无机氮素转运蛋白的活
性受到可逆磷酸化作用的精准调控。该文将对模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中硝酸根和铵根转运蛋白的分类、结
构、定位和功能特点等进行总结, 并重点对可逆磷酸化调控转运蛋白的分子机制加以阐述。
关键词 氮素, 硝酸根, 铵根, 转运蛋白, 磷酸化
张曦, 林金星, 单晓昳 (2016). 拟南芥无机氮素转运蛋白及其磷酸化调控机制研究进展. 植物学报 51, 120–129.
化学元素氮(N)在自然界中广泛存在, 是植物生
长发育必需的大量元素之一(Lawlor et al., 2001)。氮
元素不但是蛋白质、核酸及磷脂等生物大分子的组成
成分, 也是辅酶、辅基、叶绿素和植物激素等植物生
长发育重要成分的构成组分(Evans, 1989)。氮素缺乏
会导致植物细胞中重要物质的合成受阻、功能蛋白活
性降低以及生长分裂速率减缓, 进而抑制营养生长和
生殖生长(Mei and Thimann, 1984)。反之, 氮元素供
应过多, 会导致植物营养生长过于旺盛, 从而使其体
内光合产物消耗过多、茎秆柔弱易倒伏以及生殖生长
受到抑制(Lea and Azevedo, 2006)。
可供植物吸收的氮素在土壤中主要以无机氮和
有机氮的形式存在。无机氮源包括硝酸根(NO3–)和铵
根(NH4+)两类 , 为植物主要吸收利用的氮素 (Miflin
and Lea, 1976)。有机氮是与碳元素结合的有机含氮
化合物的总称, 包括氨基酸、硝基化合物、胺和酰胺
等(Näsholm et al., 1998)。虽然有机氮是土壤氮素的
主要组成成分 , 但是植物对其吸收利用效率较低
(Chadwick et al., 2000)。为了补充土壤中氮素的不
足, 保证作物的良好生长, 在农业生产实践中一般会
施以多种氮肥(如铵态氮肥、硝态氮肥和酰胺态氮肥
等)。与农业相关的氮肥使用, 是自然界中能源消耗最
多的过程之一(Robertson and Vitousek, 2009)。可被
农作物利用的氮肥只有30%–50%, 剩下的氮肥则以
硝酸根的形式渗透入地下水或者以氮氧化合物
(NxOy)以及氨 (NH3)的形式进入大气 (Nacry et al.,
2013)。氮肥的流失不仅影响农产品的数量和质量,
造成经济和资源的损失, 而且会对土壤、水体和大气
等造成污染(Sekhon, 1995)。
自然环境中, 各种氮素和生产实践中的各种氮肥
主要通过各类氮素转运蛋白吸收并运输至植物体不
同组织器官和细胞部位(Lawlor et al., 2001)。对这些
转运蛋白的表达调控及功能鉴定等方面进行深入研
究, 不但有助于加深对植物氮素吸收分子机制的理
解, 而且将为提高氮肥利用效率、减少氮肥施用量及
防止过量氮肥危害环境提供理论依据。本文将对模式
植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中硝酸根和铵根转
运蛋白的分类、结构、定位和功能特点等进行概述, 并
重点对部分硝酸根和铵根转运蛋白的磷酸化调控机
制研究进展进行总结。
1 拟南芥硝酸根和铵根转运蛋白
1.1 拟南芥硝酸根转运蛋白
硝酸根是指硝酸盐中的阴离子, 空间结构呈平面正三
角形, 不仅为植物生长发育提供必需的营养物质, 而
且可作为信号分子, 调节种子萌发、叶片伸展和侧根
生长等多个发育过程(Krapp et al., 2014)。在自然生
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张曦等: 拟南芥无机氮素转运蛋白及其磷酸化调控机制研究进展 121

态环境中, 硝态氮含量比铵态氮含量高出10到1 000
倍, 是大多数植物最优先利用的氮源(von Wittgen-
stein et al., 2014)。土壤中硝酸根的浓度随着不同地
理位置和季节等的变化呈现宽幅波动 (Crawford,
1995)。因此, 植物在漫长的进化过程中形成了一系
列吸收转运系统, 以应对外界环境中硝酸根浓度的变
化。根据结构、定位和功能的不同, 拟南芥体内的硝
酸根转运蛋白可分为NRT (nitrate tansporter)、CLC
(chloride channel) 和 SLAC1/SLAH (slow anion
channel-associated 1/slow anion channel homo-
logues)三大类型(Krapp et al., 2014) (表1)。
NRT类转运蛋白主要在根系对硝酸根的摄取、硝
酸根在根和茎中的长距离运输以及硝酸根再分配等
过程中发挥作用。NRT类蛋白对硝酸根离子的转运是
一个质子偶联(2H+/1NO3–)的协同转运过程, 转运的
能量来自跨膜的质子电化学势梯度 (Glass et al.,
1992)。根据动力学特征的不同, NRT类蛋白介导的硝
酸根转运可分为低亲和性转运系统(low-affinity ni-
trate transport system, LATS)和高亲和性转运系统
(high-affinity nitrate transport system, HATS)两类:
当环境中硝酸根离子浓度较高时(>0.5 mmol·mL–1),
LATS发挥主要作用; 当环境中硝酸根离子浓度较低
时(<0.5 mmol·mL–1), HATS的作用更为显著(Liu et
al., 1999)。相应地, NRT类转运蛋白包括低亲和硝酸
根转运蛋白NRT1和高亲和硝酸根转运蛋白NRT2两
个亚家族, 分别在LATS和HATS过程中执行重要功
能(Crawford, 1995; Liu et al., 1999; Liu and Tsay,
2003; Li et al., 2007)。NRT1类转运蛋白属于小肽转
运体 (peptide transporters, PTR)家族 , 一般含有
450–600个氨基酸残基, 包括12个跨膜区, 第6、7跨
膜区之间由一个大的亲水环相连(Tsay et al., 1993,
2007)。NRT2类转运蛋白属于硝酸盐-亚硝酸盐转运
体(nitrate-nitrite-porter, NNP)家族 , 一般含有500–
酸600个氨基酸残基, 少数包括6个跨膜区, 多数具有
12个跨膜区, 平均分为2组, 中间由大的亲水环连接
(Forde, 2000; Filleur et al., 2001)。多数NRT1类转运
蛋白具有底物多样性的特点, 除了转运硝酸根, 还可
转运氨基酸、多肽、芥子油苷和植物激素等多种生物
分子; 而NRT2类转运蛋白一般只特异性地转运硝酸
根。与NRT1类转运蛋白不同, 在衣藻属和大多数高
等植物中 , NRT2类转运蛋白需要与另一种膜蛋白
NAR2 (nitrate assimilation related 2)互作才得以表
现出硝酸根转运活性(Okamoto et al., 2006)。目前,
拟南芥基因组中有53个NRT1亚家族成员和7个
NRT2亚家族成员。其中, 16个NRT1类转运蛋白和所
有NRT2类转运蛋白具有硝酸根转运能力。
2个NRT1类转运蛋白(NRT1.1和NRT1.2)和3个
NRT2类转运蛋白(NRT2.1、NRT2.2和NRT2.4)定位
于根表皮、皮层或内皮层细胞质膜, 负责从外界吸收
硝酸根(Tsay et al., 1993; Huang et al., 1999; Filleur
et al., 2001; Kiba et al., 2012)。其中, NRT1.1为双亲
和性蛋白, 在LATS和HATS过程中均发挥作用(Liu et
al., 1999)。而NRT1类转运蛋白NAXT1 (nitrate ex-
cretion transporter 1)可以在酸性pH环境下诱导硝酸
根从根部的流出(Segonzac et al., 2007)。根系吸收
的硝酸根一部分在根部还原形成多种含氮有机物, 随
蒸腾流运输到地上部位, 还有一部分将以硝酸根的形
式经木质部直接运送至叶片再被利用。NRT1类转运
蛋白NRT1.5定位于原生木质部的中柱鞘细胞质膜,
在硝酸根向木质部转运过程中发挥主要的促进作用
(Lin et al., 2008)。最新研究表明, 2个NRT1类转运蛋
白(NRT1.1和NRT1.4)也可能在硝酸根由根向茎的转
运过程中发挥正调控作用(Léran et al., 2013)。而另
外2个NRT1类转运蛋白(NRT1.8和NRT1.9)分别定位
于木质部薄壁组织细胞和根部伴胞细胞, 在硝酸根的
长距离运输过程中发挥负调控作用(Li et al., 2010;
Wang and Tsay, 2011)。被植物吸收利用的硝酸根在
植物生长发育的后期可再行运输到幼嫩组织和生殖
器官中被重复利用。4个NRT1类转运蛋白(NRT1.6、
NRT 1.7、NRT1.11和NRT1.12)和1个NRT2类转运蛋
白NRT2.7均在硝酸根再活化过程中发挥重要作用
(Wang et al., 2012; Hsu and Tsay, 2013)。
CLC类转运蛋白是一类分布于细胞质膜或细胞
器质膜上的能够转运氯离子及其它阴离子的通道蛋
白或转运蛋白(Jentsch, 2008)。CLC类蛋白一般由
10–12个跨膜结构域和位于胞质内的N端和C端结构
域组成, 不同跨膜区之间具有3个高度保守的与阴离
子特异性识别相关的氨基酸序列(Jentsch et al.,
2002)。拟南芥CLC类转运蛋白包括7个成员(a–g)
(Barbier-Brygoo et al., 2011)。其中CLCa定位于液泡
膜上, 通过反向协同转运氯离子将硝酸根储存在液泡
中; CLCb同样定位于液泡膜上, 以爪蟾卵母细胞为
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表1 拟南芥中主要无机氮素转运蛋白的组织定位和功能
Table 1 The location and physiological function of primary nitrogen transporters in Arabidopsis thaliana
基因名称 主要组织定位 功能 参考文献
NRT1.1 根表皮、皮层和内皮层细胞、
叶片保卫细胞
双亲和性硝酸根转运和信号感受 Wang et al., 2012
NRT1.2 根表皮细胞 低亲和性硝酸根转运 Wang et al., 2012
NRT1.4 叶柄 调节硝酸根在叶柄和叶片间的分配 Wang et al., 2012
NRT1.6 珠柄 种子发育时的硝酸根供应 Wang et al., 2012
NRT1.7 老叶小叶脉的韧皮部细胞 由老叶到幼叶的硝酸根再分配 Wang et al., 2012
NRT1.8 根木质部薄壁细胞 调节硝酸根从根部到茎部的转运 Wang et al., 2012
NRT1.9 根韧皮部伴胞 调节硝酸根从根部到茎部的转运 Wang et al., 2012
NRT1.11/NRT1.12 成熟叶片主叶脉伴胞 由成熟叶片到幼叶的硝酸根再分配 Hsu and Tsay, 2013
NAXT1 根皮层细胞 硝酸根的外流 Wang et al., 2012
NRT2.1 根表皮和皮层细胞 高亲和性硝酸根转运 Wang et al., 2012
NRT2.2 根部 高亲和性硝酸根转运 Wang et al., 2012
NRT2.4 根表皮细胞 高亲和性硝酸根转运 Wang et al., 2012
NRT2.7 成熟种子 通过转运将硝酸根储存在液泡中 Wang et al., 2012
CLCa/b 叶肉细胞 通过转运将硝酸根储存在液泡中 Wang et al., 2012
SLAC1/SLAH3 保卫细胞 硝酸根的外流 Wang et al., 2012
AMT1;1 根表皮细胞和皮层细胞 铵根离子吸收 Loqué and von Wirén, 2004
AMT1;2 根皮层和内皮层细胞 通过质外体向维管束转运铵根离子 Loqué and von Wirén, 2004
AMT1;3 根表皮细胞和皮层细胞 铵根离子吸收 Loqué and von Wirén, 2004
AMT1;4 花粉 花粉中特异转运铵根离子 Loqué and von Wirén, 2004

研究材料证明, 其同样执行Cl–/NO3–反向协同运输功
能, 但在植物体内的作用尚不明晰(von der Fecht-
Bartenbach et al., 2010)。
SLAC1/SLAH类转运蛋白是定位于保卫细胞质
膜的慢速阴离子通道, 与脱落酸(abscisic acid, ABA)
诱导的气孔关闭密切相关 (Barbier-Brygoo et al.,
2011)。拟南芥中有5个SLAC1/SLAH家族成员, 分别
是SLAC1及SLAH1–SLAH4, 均具有10个螺旋结构
域(Barbier-Brygoo et al., 2011)。当外界环境引发内
源的脱落酸信号后, SLAC1和SLAH3表现出转运活
性, 介导氯化物和硝酸根的外流, 进而诱导气孔关闭
(Geiger et al., 2011)。其中, SLAC1对氯化物和硝酸
根的渗透性相似, 而SLAH3对硝酸根的转运能力更
强(Wang et al., 2012)。
1.2 拟南芥铵根转运蛋白
铵根是指氨分子得到一个质子后形成的铵离子, 空间
结构为正四面体, 是植物根系吸收氮素的另一有效形
式(Glass et al., 2002)。虽然土壤环境中的硝态氮含
量相对于铵态氮要高许多 , 但小叶杨 (Populus si-
monii)、梨树(Pyurs spp.)和某些针叶树种等一部分植
物仍优先选择吸收耗能较少的铵态氮(Gazzarrini et
al., 1999)。此外, 相比干旱的土壤, 铵态氮是水淹环
境中氮元素的主要存在形式。除水稻(Oryza sativa)
外, 绝大多数植物体内不能积累高浓度的铵态氮, 否
则会引起毒害现象(Lea and Azevedo, 2006)。
植物主要通过AMT/MEP/Rh (ammonium trans-
porter/methylammonium permease/Rhesus)家族转
运蛋白吸收和转运铵根离子, 其过程是需要能量的逆
浓度梯度的主动运输过程(von Wirén and Merrick,
2004)。根据动力学特征的不同, 铵根转运系统同样
可以分为低亲和性转运系统和高亲和性转运系统2
种, 分别在外界环境中铵根离子浓度>1 mmol·mL–1
和<1 mmol·mL–1时发挥作用(Glass et al., 2002)。
拟南芥中AMT/MEP/Rh家族共有6个成员, 均包
括N端结构域、C端结构域和10–11个跨膜域, 大部分
成员的N端和C端分别定位于细胞外部和内部
(Javelle et al., 2003) (表1)。其中, AMT1;1–AMT1;5
五个成员属于AMT1亚家族 , 为铵根转运蛋白或
NH4+/H+共转运蛋白, 与蓝细菌中的铵根转运蛋白相
似度较高; 而AMT2;1属于AMT2/MEP亚家族, 与酿
酒酵母和细菌中的铵根转运蛋白同源性较高(Loqué
张曦等: 拟南芥无机氮素转运蛋白及其磷酸化调控机制研究进展 123

and von Wirén, 2004)。AMT1;1在拟南芥的根、茎和
叶等器官中均有表达, 在根中定位于表皮细胞和皮层
细胞的细胞膜上, 是执行吸收功能的主要转运蛋白
(Mayer and Ludewig, 2006)。AMT1;3仅在根部特异
性表达, 细胞定位与AMT1;1相同, 与AMT1;1一起承
担铵根吸收的任务(Loqué et al., 2006)。AMT1;2主要
在根部的皮层和内皮层细胞表达, 负责通过质外体向
维管束运输铵根离子 , 而在茎和叶中表达量较低
(Yuan et al., 2007)。AMT1;5和AMT2;1虽然分别定位
于根部表皮细胞和皮层细胞, 但是对植物从土壤中吸
收和转运铵根贡献较小(Yuan et al., 2007)。AMT1;4
是AMT1亚家族中唯一不在根中表达的成员, 是花粉
中特异的铵根转运蛋白, 可能对花粉发育和萌发过程
中的氮素营养转运起重要作用(Yuan et al., 2009)。
2 拟南芥无机氮素转运蛋白的磷酸化调
控机制
蛋白磷酸化是指蛋白质激酶催化的把ATP或GTP γ位
的磷酸基团转移到底物蛋白质氨基酸残基(丝氨酸、
苏氨酸或络氨酸)上的过程。反之, 在蛋白磷酸酶的作
用下去掉相应磷酸基团的过程称为蛋白去磷酸化。磷
酸基团的添加或去除可影响蛋白的构象, 进而调控蛋
白的活性和功能, 最终对物质转运、能量代谢和信号
转导等诸多生命过程起到开关的作用。
2.1 硝酸根转运蛋白的磷酸化调控机制
2.1.1 NRT1.1的磷酸化调控机制
NRT1.1, 又称CHL1 (chlorate resistant 1), 是拟南
芥中最先被鉴定出来的NRT1类转运蛋白, 在根系对
土壤中硝酸根的吸收和结合响应过程中发挥主导作
用(Tsay et al., 1993; Liu et al., 1999; Liu and Tsay,
2003; Ho et al., 2009)。蛋白激酶CIPK23 (cal-
cineurin B-like interaction protein kinase 23)是调控
CHL1蛋白磷酸化状态的关键酶, 经类钙调磷酸酶B
蛋白CBL9 (calcineurin B-like protein 9)激活后, 可
将CHL1蛋白第101位苏氨酸(T101)磷酸化(Ho et al.,
2009)。
对CHL1基因缺失突变体 chl1-5的研究表明 ,
CHL1是一个双亲和性硝酸根转运蛋白, 在高浓度和
低浓度硝态氮存在的情况下, 均具有硝酸根吸收转运
活性, 既参与到LATS过程, 也参与到HATS过程中
(Liu et al., 1999)。CHL1的双亲和性与T101的磷酸化
状态密切相关: 外界环境中的硝酸根浓度较低时, 该
位点的苏氨酸被磷酸化, 表现出高亲和力, 以尽可能
多地获取氮源; 外界环境中的硝酸根浓度较高时, 该
位点的苏氨酸未被磷酸化, 表现出低亲和力, 以调节
对多余底物的摄取(Liu and Tsay, 2003)。这种精确的
调控机制使植物可以很快地在高亲和力和低亲和力
系统间转换, 以适应土壤中广域的硝态氮供应水平,
有利于植物获取必要且充裕的氮素养分。
Tsay实验室筛选到了1个CHL1基因点突变株系
chl1-9。该突变体丧失了转运硝酸根的能力, 却仍然
保留了植物正常的硝酸根应答反应, 从而证明CHL1
蛋白不但是硝酸根的转运器, 而且是硝酸根的感受
器, 在硝酸根响应和信号转导途径中发挥重要作用
(Ho et al., 2009)。对持续磷酸化转基因植株T101D
(第101位的苏氨酸转变为天冬氨酸)和持续未磷酸化
转基因植株T101A (第101位的苏氨酸转变为丙氨酸)
的研究进一步表明, T101的磷酸化状态同样影响其感
受和响应硝酸根的能力: 磷酸化的CHL1蛋白可引发
低水平的硝酸根初级反应, 而未磷酸化的CHL1蛋白
则引发较高水平的硝酸根初级反应(Ho et al., 2009)。
上述研究表明, 当植物处于低硝酸根浓度环境中
时 , 蛋白激酶CIPK23将CHL1蛋白的T101磷酸化 ,
磷酸化的CHL1转变为高亲和力的硝酸根转运蛋白,
从而促进植物在不利的条件下吸收更多的硝酸根。磷
酸化后的CHL1同时使植物在低浓度硝酸根下保持低
水平的硝酸根初级反应, 以适应外界环境中低水平的
硝酸根浓度, 防止基因过量表达造成植物生长过于旺
盛而硝酸根却供应不足。当植物处于高硝酸根浓度环
境中时, CHL1蛋白保持在未磷酸化状态, 具备低亲
和力的硝酸根转运能力, 并激活高水平的硝酸根初级
反应 , 以充分利用摄入的硝酸根 (图1) (Vert and
Chory, 2009)。
最近, Sun等(2014)及Parker和Newstead (2014)
对CHL1蛋白的晶体结构进行了深入解析, 为其转运
硝酸根的磷酸化调控机制给出了初步解释。Sun等
(2014)认为磷酸化会影响CHL1蛋白的聚合状态, 进
而改变自身的亲和性; 而Parker和Newstead (2014)
认为磷酸化会改变CHL1蛋白胞内部分的局部结构,
从而改变自身的亲和性。Sun等(2014)获得了未磷酸
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图1 NRT1.1磷酸化调控机制(改自Tsay, 2014)
(A) 低浓度硝酸根; (B) 高浓度硝酸根

Figure 1 NRT1.1 phosphorylation regulatory mechanism (modified from Tsay, 2014)
(A) Low nitrate concentration; (B) High nitrate concentration




图2 SLAC1/SLAH3磷酸化调控机制(改自Geiger et al., 2011)
(A) –ABA; (B) +ABA

Figure 2 SLAC1/SLAH3 phosphorylation regulatory mechanism (modified from Geiger et al., 2011)
(A) –ABA; (B) +ABA

化的CHL1蛋白的晶体结构, 并发现CHL1蛋白单体
可根据外界硝酸根浓度的不同动态地进行二聚化和
去偶联作用。在外界硝酸根浓度高的时候, T101磷酸
化位点埋入紧邻CHL1同源二聚体界面的口袋中 ,
CHL1蛋白以非磷酸化的二聚体状态发挥作用; 在外
界硝酸根浓度低的时候, T101磷酸化将CHL1二聚体
张曦等: 拟南芥无机氮素转运蛋白及其磷酸化调控机制研究进展 125

解偶联, 使其转变为单相的高亲和性转运蛋白(图1)
(Sun et al., 2014)。因此, T101的磷酸化和去磷酸化
作为控制CHL1二聚化的开关, 使其能够以两种不同
的亲和模式吸收并转运硝酸根(Tsay, 2014)。Parker
和Newstead (2014)获得了相同的未磷酸化的CHL1
晶体结构, 并且认为T101的磷酸化作用会导致CHL1
蛋白N端集束螺旋的局部扭曲, 这种扭曲会使蛋白的
可塑性增强, 进而影响硝酸根的转运能力(图1)。阐明
CHL1晶体结构不仅为理解其双亲和性硝酸盐转运活
性提供了一个结构框架, 而且还揭示了翻译后修饰作
用调控转运蛋白功能的一种新机制。

2.1.2 SLAC1和SLAH3的磷酸化调控机制
SLAC1及其同系物SLAH3是定位于保卫细胞上的慢
型阴离子通道, 可直接响应植物ABA信号, 促进氯化
物和硝酸根的外流, 进而诱导气孔的关闭(Geiger et
al., 2011)。在没有ABA信号时, 蛋白磷酸酶2C (pro-
tein phosphatases 2C)家族成员ABI1 (ABA insensi-
tive 1)和ABI2等抑制了钙离子依赖蛋白激酶CPKs
(calcium-dependent protein kinases) (如CPK21和
CPK23等)与非钙离子依赖蛋白激酶(如OST1 (open
stomata 1))的自磷酸化, 从而使激酶失去磷酸化底
物的活性。当干旱等外界环境启动内源ABA的合成后,
ABA与其受体PYR/PYL/RCARs (pyrabactin resistance/
pyrabactin resistance-like/regulatory component of
ABA receptors)结合, 进而与PP2C结合并抑制其磷
酸酶活性。这样, 具有活性的蛋白激酶CPKs和OST1
等可将SLAC1与SLAH3蛋白N端结构域磷酸化, 改
变其构象, 开放通道, 促进氯化物和硝酸根的释放
(图2) (Lee et al., 2009; Geiger et al., 2010, 2011;
Brandt et al., 2012)。阴离子的外流将导致保卫细胞
质膜的去极化, 进而促进外向整流钾离子通道释放钾
离子, 降低细胞膨压, 促进气孔关闭(Geiger et al.,
2011)。
2.2 铵根转运蛋白的磷酸化调控机制
AMT1;1和AMT1;2蛋白分别在根系对土壤铵根的吸
收及根系中铵根从表皮到内皮层的转运过程中发挥
主要作用(Yuan et al., 2007)。二者同源性较高, 均具
有保守的C末端变构调节域, 可通过与相邻转运蛋白
单体结合形成同源三聚体发挥铵根的转运功能
(Neuhäuser et al., 2007)。其中, AMT1;1蛋白第460
位的苏氨酸T460和AMT1;2蛋白第472位的苏氨酸
T472的磷酸化状态对C末端的变构调节机制非常重
要 (Loqué et al., 2007; Neuhäuser et al., 2007;
Lanquar et al., 2009)。当外界环境中铵离子浓度较低
时, AMT蛋白C末端的苏氨酸残基未被磷酸化, 形成
开放的铵离子通道, 尽可能多地将铵离子转运到胞
内; 伴随着铵离子浓度的提高, C末端的苏氨酸残基
被未知的蛋白激酶磷酸化, 通过变构作用导致复合物
中3个亚基的合作关闭, 抑制了其对铵离子的转运能
力, 防止植物中过量铵态氮的积累(图3) (Loqué et
al., 2007; Neuhäuser et al., 2007; Lanquar et al.,
2009)。
3 总结和展望
氮元素是植物必需的营养物质, 其转运和利用是影响
植物生长发育和品质形成的重要因子。无机氮是植物
吸收利用的主要氮源, 其转运是一个相当复杂的生命
过程, 包括吸收、运输、储存和外排等多个步骤, 需
要定位于不同组织器官的多个转运蛋白共同作用。近
年来, 研究者从模式植物拟南芥中克隆到多个硝酸根
和铵根转运蛋白, 并对这些蛋白的分子结构、表达调
控和转运功能等方面进行了深入分析, 较为系统地揭
示了无机氮素吸收和转运的分子基础。尽管如此, 无
机氮素转运机制仍有待于进一步补充和完善, 如各转
运蛋白的多层次调控模式、多个转运蛋白之间的协同
合作以及氮素转运如何协调外界环境变化和自身的
发育需要等。最新研究表明, 区别和独立于营养功能,
硝酸根还可作为重要信号分子调节植物生长发育和
逆境响应等多个过程。目前, 硝酸根信号通路中的部
分感受器、转录因子和下游基因等正逐步得到解析,
但整个信号网络还存在大量空白, 如可能存在的其它
硝酸根感受器、特异性调控不同硝酸根响应基因的转
录因子及与其它信号网络的交叉点蛋白等。值得注意
的是, 以往的研究多是利用遗传、分子及生化等手段
在组织水平对无机氮素转运蛋白的生物学功能进行探
讨, 这种宏观层面的分析很可能掩盖了硝酸根转运过
程中单个蛋白分子所呈现的复杂的生物学过程。因此,
利用多种细胞生物学手段对无机氮素转运蛋白在质膜
上的时空分布和胞内转运进行活体实时动态观测, 将
126 植物学报 51(1) 2016



图3 AMT1;1/1;2磷酸化调控机制(改自Lanquar et al., 2009)
(A) 低浓度硝酸根; (B) 高浓度硝酸根

Figure 3 AMT1;1/1;2 phosphorylation regulatory mechanism (modified from Lanquar et al., 2009)
(A) Low nitrate concentration; (B) High nitrate concentration


为深入揭示其转运调控机理提供新的思路和方法。综
上所述, 更加深入地了解和阐释植物无机氮素转运系
统及信号转导途径, 不仅为植物氮素利用遗传改良奠
定良好的理论基础, 而且将为农业生产中低耗能高环
保的氮肥施用提供有力的技术支持。
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张曦等: 拟南芥无机氮素转运蛋白及其磷酸化调控机制研究进展 129

Progress in Inorganic Nitrogen Transport Proteins and Their
Phosphorylation Regulatory Mechanism in Arabidopsis
Xi Zhang, Jinxing Lin, Xiaoyi Shan*
College of Biological Sciences and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
Abstract Nitrogen (N) is an essential nutrient element. Its supply and demand imbalance would seriously affect plant
growth and development. Inorganic N (nitrate and ammonium radical) is the major N source in plant, with assimilation and
transportation depending on synergistic action of various transport proteins. The activity of some inorganic N transporters
is regulated at the post-translation level by phosphorylation. This review describes a global picture of the inorganic N
transporters including their classification, molecular structure, location and biological function in Arabidopsis. The phos-
phorylation regulatory mechanisms of some inorganic N transporters are mainly discussed.
Key words nitrogen, nitrate radical, ammonium radical, transport proteins, phosphorylation
Zhang X, Lin JX, Shan XY (2016). Progress in inorganic nitrogen transport proteins and their phosphorylation regulatory
mechanism in Arabidopsis. Chin Bull Bot 51, 120–129.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: shanxy@bjfu.edu.cn
(责任编辑: 朱亚娜)