全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2016, 51 (2): 152–166, www.chinbullbotany.com
doi: 10.11983/CBB15077
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收稿日期: 2015-05-05; 接受日期: 2015-08-06
基金项目: 国家自然科学基金(No.U1301212)
* 通讯作者。E-mail: hliao @scau.edu.cn
植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展
徐晓鹏1, 傅向东2, 廖红1*
1华南农业大学农学院, 根系生物学研究中心, 广州 510642; 2中国科学院遗传与发育生物学研究所, 北京 100101
摘要 氮是维持植物生长发育最重要的矿质营养元素之一, 在植物整个生命进程中发挥着重要作用。在植物体内, 氮同化
既是植物利用氮素的一个中心环节, 也是导致植物氮利用效率不高的因素之一。氮同化主要分为硝态氮(NO3–)和铵态氮
(NH4+)同化, 其中铵态氮同化是氮同化中最为关键的一步。按照不同来源, 植物体内铵态氮同化又可分为一次同化和二次同
化, 但两者都是通过谷氨酰胺/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途径进行。植物铵态氮同化不仅需要大量的能量, 而且需要大量
的碳源, 所以其在转录、转录后以及翻译后等各个水平上都受到严格调控。该文综述了目前关于植物铵态氮同化及其调控
机制的最新研究进展。
关键词 铵态氮, 一次同化, 二次同化, GS/GOGAT, 调控机制
徐晓鹏, 傅向东, 廖红 (2016). 植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展. 植物学报 51, 152–166.
氮是植物必需的大量矿质元素之一, 在植物生长
发育过程中发挥着重要作用。它不仅是核酸、氨基酸
和蛋白质等生命物质的组成成分, 而且还作为叶绿素
的组分参与到光合作用的碳同化中。在农业生产上,
施用氮肥普遍具有显著的增产效应(李俊良等, 2003;
祁通等, 2014)。但是, 过量施氮不仅会造成资源浪费,
而且会污染环境(Liu et al., 2013; Zhang et al., 2013;
巨晓棠和谷保静, 2014)。联合国粮食及农业组织
(FAO)的数据显示(图1), 在过去的10年中, 世界范围
内(包括中国)的氮肥消费量显著增加, 但粮食单产却
增长缓慢, 说明氮肥利用率(nitrogen use efficiency,
NUE)有待提高。另据文献报道, 亚洲的氮肥施用量在
过去的40年间增加了17倍(Rahn et al., 2009), 但只
有不到50%的氮肥被谷类作物利用, 其余部分则通过
氨挥发、淋溶、地表径流和反硝化作用等进入到空气
和水体中(Camargo et al., 2005), 成为引起大气氮沉
降以及水体富营养化的一个重要因素(Diaz and Ros-
enberg, 2008; Liu et al., 2013)。据统计, 中国在
1980s到2000s间, 大气氮沉降从13.2 kg·hm–2增加
到了21.1 kg·hm–2 (Liu et al., 2013)。并且, 预计2050
年, 大气中活性氮的污染将达到2010年的102%–
156% (Bodirsky et al., 2014), 这对人类健康和生态
系统都将是一个巨大的挑战。因此, 提高作物的氮效


图1 近10年世界和中国谷物单产与氮肥消耗量之间的关系

Figure 1 The relationship between cereal yield per hectare
and N fertilizer consumption of China and world in recent ten
years


率、减少环境污染十分重要 (Bodirsky et al., 2014)。
此外, 预计2050年, 世界人口将达到90亿。为保障如
此庞大人口的粮食安全, 粮食产量需要比目前增加至
少70%。因此通过遗传改良的手段, 借助现代生物学
技术, 培育“资源节约和环境友好”的高产作物新品
种已迫在眉睫。
·特邀综述·
徐晓鹏等: 植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展 153

从土壤到根系、再由根系到地上部及植物各个器
官之间的运转均涉及氮的吸收、同化、转运和再利用
等诸多过程。而氮同化既是这些过程中最为关键的一
步, 也是其中最主要的限制因子之一。因此, 提高植
物的氮同化效率是提高植物氮利用效率的重要方面。
植物体内氮的同化主要分为硝态氮(NO3–)和铵态氮
(NH4+)同化 , 其中NO3–首先需要经过硝酸还原酶
(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)还原为NH4+, 之后才能进
一步经过NH4+的同化途径成为植物体可利用的有机
态氮(Maeda et al., 2014)。可见植物体内铵态氮的同
化是植物氮同化中最为关键的一步。本文从植物铵态
氮同化的角度出发, 总结了植物铵态氮同化及其调控
机制的最新研究进展, 以期为进一步挖掘和提高植物
氮利用效率提供新的研究思路。
1 植物体内铵态氮的同化
植物中, 铵态氮通过铵态氮转运子(ammonium tran-
sporters, AMTs)吸收(李新鹏和童依平, 2007), 进而
通过谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)
途径同化(Lea and Miflin, 1974)。首先, GS消耗ATP
催化谷氨酸(Glu)和NH4+合成谷氨酰胺(Gln); 然后,
GOGAT催化Gln和α-酮戊二酸(2-OG)合成2分子的
Glu, 其中1分子Glu作为GS的底物重新参与NH4+的
同化, 另一分子Glu则合成各种氨基酸, 进入植物体
内的氮代谢过程 (图2A)。需要指出的是 , 在发现
GS/GOGAT途径之前 , 一般认为谷氨酸脱氢酶
(GDH)是同化NH4+的关键酶, 但在合成氨基酸的主
要场所叶绿体中, GDH的活性较低, 且其与NH4+的亲
和力较低, 不利于铵态氮的同化。基于上述假设和一
系列实验认证, 最终证明GS/GOGAT是高等植物在
正常条件下同化NH4+的唯一途径(Ireland and Lea,
1999; Lea and Miflin, 2003); 而GDH的主要作用可
能是通过脱氨基(deamination)产生2-OG, 以避免氮
的过度同化消耗细胞中大量的碳, 维持体内的C/N平
衡(Lea and Miflin, 2003)。
植物体内存在2种类型的GS。一种为定位于细胞
质中的(cytosolic GS) GS1, 另一种为定位于叶绿体
或质体中的(chloroplastic/plastidic GS) GS2。同样也
存在两种类型的GOGAT。一种为以NAD(P)H为电子
供体的NAD(P)H-GOGAT, 另一种为以还原态Fd为
电子供体的Fd-GOGAT。其中GS2和Fd-GOGAT主要
参与光呼吸释放NH4+的再次同化以及由NO3–还原产
生NH4+的同化; GS1和NADH-GOGAT则参与植物体
内大部分铵态氮的同化(Lam et al., 1996; Masclaux
et al., 2001; Thomsen et al., 2014)。植物中GS1的同
源基因较多, 如水稻(Oryza sativa)、大麦(Hordeum
vulgare)和小麦(Triticum aestivum)各有3个基因亚
族, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)、玉米(Zea mays)
和油菜(Brassica campestris)各有5个基因亚族。大豆
(Glycine max)中的GS1基因有3个亚族, 分布于各个
部位, 并随着植株的生长发育发生相应的改变, 行使
不同的功能(Morey et al., 2002; Martin et al., 2006;
Tabuchi et al., 2007; Bernard et al., 2008; Goodall
et al., 2013; Orsel et al., 2014; Guan et al., 2014)。
植物中编码GS2的基因一般只有1个。近年来, 仅在
苜蓿(Medicago truncatula)中发现了第2个编码GS2
的基因 , 该基因在萌发和发育的种子中特异表达
(Seabra et al., 2010)。说明植物GS1基因的生物学功
能较为广泛, 而GS2相对保守。
植物体内铵态氮的同化因NH4+的来源不同又可
分为一次同化和二次同化。一次同化(primary as-
similation)是指NH4+直接来源于土壤或空气中的氮,
包括根系直接吸收的NH4+, 根系直接吸收NO3–还原
的NH4+以及生物固氮产生的NH4+等的同化(Lam et
al., 1996)。二次同化(secondary assimilation)是指
NH4+来源于植物体内自身代谢产生的NH4+的再次同
化, 包括叶片衰老时蛋白降解产生的NH4+的再利用、
种子萌发时氮的再利用、光呼吸产生的NH4+的重新同
化以及木质素合成和氨基酸代谢产生的NH4+的再次
同化等。植物中参与一次同化和二次同化的GS/
GOGAT的基因及其功能见表1。
1.1 植物体内铵态氮的一次同化
1.1.1 根系吸收的NH4+的同化
植物根系吸收的NH4+大部分在根部被同化(图2B),
主要是由于过量的NH4+会导致植物中毒。铵毒的症状
总体上表现为生物量下降, 这主要是因为过量NH4+
的同化会导致可供植物生长的碳源(糖类)减少以及
N H 3 / N H 4 +在根部细胞跨膜循环中能量的消耗
(Coskun et al., 2013)。此外, 过量的NH4+会导致植物
叶片失绿、阴阳离子失衡以及氨基酸积累(Britto and
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表1 植物中主要参与GS/GOGAT途径的基因
Table 1 Genes involved in GS/GOGAT pathway in plants
物种 基因名称 表达部位 基因主要功能
水稻
(Oryza sativa)
OsGS1;1 维管束特异定位(根部、
茎和叶片)
参与水稻衰老过程中氮再利用过程, 为籽粒发育提供氮源b
OsGS1;2 根系表皮、皮层细胞,
茎, 叶鞘
水稻根部同化NH4+的一个关键基因a
OsGS1;3 种子 可能主要参与种子发育时氮的供应或种子萌发时氮的再利用过程b
OsNADH-GOGAT1 根系表皮、皮层细胞,
幼嫩叶片维管束
与OsGS1;2一起参与水稻根部NH4+的同化a
OsNADH-GOGAT2 成熟叶片维管束 为OsGS1;1反应提供底物Glu, 参与水稻氮的再利用过程b
AtGln1;1 根(表皮和根尖) 同化根部吸收的NH4+; 对根构型具有显著影响, 突变体主根生长
受抑制a
拟南芥
(Arabidopsis
thaliana) AtGln1;2 维管组织中(根、叶片、
萼片、花瓣和雄蕊)
参与根系和叶片缓解氨毒a; 参与地上部同化由NO3–还原产生的
NH4+ (供应高浓度NO3–时)a; 参与为种子萌发和种子发育提供氮源
的过程b
AtGln1;3 根部维管组织 未知
AtGln1;4 侧根形成区的中柱鞘
细胞
可能在缺氮条件下参与同化根部吸收的NH4+或由NO3–还原产生的
NH4+a
AtNADH-GOGAT 根、花粉、柱头和顶端
分生组织
负责拟南芥根部NH4+的同化a

玉米 ZmGln1;1 根表皮、皮层细胞 参与同化根系中由NO3–还原产生的NH4+a
(Zea mays) ZmGln1;2 根系和叶片韧皮部 参与玉米体内氮的再利用及转运b
ZmGln1;3 叶肉细胞 同化叶肉细胞中由NO3–还原产生的NH4+, 对玉米籽粒数目有显著
影响a
ZmGln1;4 叶片维管束鞘细胞 参与重新同化叶片产生的NH4+, 对玉米籽粒大小有显著影响b
大麦
(Hordeum
HvGS1;1 维管束特异定位(根部、
茎和叶片)
可能与OsGS1;1具有类似的功能, 在氮再利用方面起重要作用b
vulgare) HvGS1;2 叶肉细胞, 根部的皮层
和中柱鞘细胞
可能主要参与同化叶肉细胞中由NO3–还原产生的NH4+a
HvGS1;3 谷粒, 根部 可能参与谷粒发育中氮源的供应b; 参与根系缓解NH4+的毒害a
MtGS1a 维管束定位(根瘤、根、
茎和叶)
同化侵染细胞中类菌体释放到细胞质中的NH4+ (来源于固氮酶固
定的氮)a; 提供体内氮运转的来源b
苜蓿
(Medicago
truncatula) MtGS1b 根瘤、根、茎和叶 可能参与同化根系吸收的氮a
MtGS2b 籽粒 可能为籽粒发育提供氮源, 表达量随着籽粒的发育而升高b
大豆
(Glycine max)
GmGlnα 子叶、新根、发育中的
根瘤和花
未知
GmGlnβ(β1和β2) 组成型表达, 根瘤中较
高
可能参与同化根瘤固氮产生的NH4+a
GmGlnγ1 根瘤特异 未知
GmGlnγ2 根瘤增强, 子叶和花 未知
a: 参与NH4+的一次同化; b: 参与NH4+的二次同化
a: Functions in assimilation of primary ammonium; b: Functions in assimilation of secondary ammonium


Kronzucker, 2002), 这些都会引起植物的异常生长。
在水稻木质部汁液中, 氮的形态主要以Gln和Asn为
主(Fukumorita and Chino, 1982)。另外, 利用GS抑
制剂处理水稻根系, 发现木质部和地上部13N的含量
都显著降低(Kiyomiya et al., 2001)。说明NH4+的同化
大部分在根中进行, 但仍有一定数量的NH4+通过木
徐晓鹏等: 植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展 155



图2 植物体内铵态氮一次同化途径示意图
(A) GS/GOGAT的合成途径; (B) 根系吸收的NH4+的同化和生
物固氮产生的NH4+的同化; (C) NO3–还原产生的NH4+的同化。
NR: 硝酸还原酶; NiR: 亚硝酸还原酶; GS: 谷氨酰胺合成酶;
GOGAT: 谷氨酸合成酶

Figure 2 A schematic graph of primary ammonium assimi-
lation in plants
(A) GS/GOGAT pathway; (B) Assimilation of ammonium
originated from biological nitrogen fixation or absorbed by
roots; (C) Assimilation of ammonium from NO3– reduction.
NR: Nitrate reductase; NiR: Nitrite reductase; GS: Glutamine
synthetase; GOGAT: Glutamate synthetase

质部向上运输(Husted et al., 2000); 这部分NH4+可
能进一步通过地上部的GS被同化或以NH3的形式损
失。
水稻作为淹水作物, 是喜铵植物的典型代表。在
水稻中, OsGS1;2和OsNADH-GOGAT1主要负责根
部铵态氮的同化。随着外界NH4+浓度的升高, Os-
GS1;2和OsNADH-GOGAT1在根部外层细胞中的表
达量显著升高(包括表皮和外皮层细胞), 将NH4+在这
些外层细胞中快速同化, 以Gln和Glu的形式运输到
地上部, 从而避免NH4+积累造成对植物的毒害(Ishiy-
ama et al., 2004a; Tabuchi et al., 2007)。在供NH4+
条件下, 定位于根细胞线粒体的OsIDH与OsNADH-
GOGAT的表达模式以及表达部位均具一致性。因此,
OsIDH可能参与提供氮同化所需的碳源(Abiko et al.,
2005)。烟草(Nicotiana tabacum)中IDH的表达模式也
有类似的趋势(Lancien et al., 1999)。此外, OsGS1;2
和OsNADH-GOGAT1的转座子插入突变体都表现出
分蘖数减少、生长受抑制和产量下降的表型。同时, 突
变体根部和木质部汁液中Gln和Glu等可溶性氨基酸
的含量都显著下降, 而根部游离的NH4+显著上升; 回
补OsGS1;2则可恢复正常的生理表型(Tamura et al.,
2010; Funayama et al., 2013)。这些结果说明 ,
OsGS1;2和 OsNADH-GOGAT1在水稻根部同化
NH4+中起重要作用。此外, OsAS1是控制水稻根部合
成天冬酰胺(Asn)的主要基因, 不仅其表达对NH4+的
响应与OsGS1;2和OsNADH-GOGAT1相似 , 而且
OsAS1突变体木质部汁液中Asn的含量也显著下降
(Ohashi et al., 2015)。说明OsAS1可能负责水稻根部
继GS/GOGAT途径之后的氮同化。
其它植物中, 一般只在过量或只供应NH4+以及
缺氮的条件下, GS/GOGAT负责同化直接从根系吸
收的NH4+, 进而起到缓解铵毒和缺氮的作用。At-
Gln1;2是拟南芥GS1基因中唯一受到NH4+诱导的基
因 , 该基因定位于根部维管组织 (Ishiyama et al.,
2004b; Guan et al., 2015)。与水稻不同, 拟南芥中并
未发现受NH4+诱导表达的NH4+转运子(Gazzarrini et
al., 1999; Yuan et al., 2007)。因此, 拟南芥中过量的
NH4+可能通过质外体运输的方式, 进入到根中柱维
管组织以缓解铵毒。大麦中也存在1个在根部受到
NH4+诱导表达的GS1基因HvGS1;3 (Goodall et al.,
2013)。与AtGln1;2不同的是, HvGS1;3仅在供NH4+
的根系中表达, 在供NO3–的根中几乎检测不到。可见,
HvGS1;3具有在大麦根系中缓解铵毒的特殊功能。但
在仅供NH4+或缺氮的条件下, HvGS1;2是大麦根系
GS1基因的主要形态, 在大麦根部的NH4+同化中起
主要作用(Goodall et al., 2013)。在供NH4+的拟南芥
根中 , NADH-GOGAT是GOGAT的主要形态 , 其
T-DNA插入突变体的生物量和谷氨酸含量都下降 ,
156 植物学报 51(2) 2016

表明NADH-GOGAT在根部同化NH4+中具有重要作
用(Konishi et al., 2014)。另外, 高亲和的GS1基因
AtGln1;1定位于根伸长区的表皮细胞、根毛以及根尖
等处, 其表达受到缺氮诱导(Ishiyama et al., 2004b),
表明AtGln1;1可能在缺氮的条件下起到提供氮源的
作用。
目前, 根系直接吸收NH4+的同化机制除在水稻
中被较清楚地阐明外, 其它物种中还知之甚少, 主要
原因是大部分植物已进化出以吸收NO3–为主的机制
(Dechorgnat et al., 2011), 而NH4+的吸收同化只在
特定条件下才被启动。因此在很多物种中, 根系直接
吸收NH4+的同化研究仅在特定条件下才有意义。

1.1.2 NO3–还原产生NH4+的同化
与水稻适应淹水环境不同, 拟南芥、玉米、大麦、小
麦和油菜等植物都适应旱地环境, 以吸收NO3–为主。
根系吸收的NO3–大部分运输到叶肉细胞中进行还原,
只有部分NO3–在根中被还原(图2C) (Lewis et al.,
1982)。
一般认为, GS2是大部分植物(尤其是C3植物)叶
片中GS的主要形态。位于叶绿体的GS2和Fd-
GOGAT负责同化由NO3–还原产生的NH4+。但有研究
证明, 定位于细胞质的GS1也具有同样的功能。如
AtGln1;2、ZmGln1;3和HvGS1;2在叶片同化由NO3–
还原产生的NH4+中起重要作用。其中, AtGln1;2主要
定位于叶片和花中的小脉, 在供应高浓度NO3–时, 表
达量显著升高, AtGln1;2突变体生物量和NH4+含量分
别呈下降及上升的趋势 ; 而在供应低浓度NO3–时 ,
AtGln1;2突变体与野生型差异不大(Ishiyama et al.,
2004b; Lothier et al., 2011)。这些结果表明, AtGln1;2
在地上部负责同化由NO3–还原产生的NH4+, 在缓解
叶片铵毒中发挥重要作用。ZmGln1;3主要定位于叶
肉细胞中 , 其突变体籽粒数目显著下降。过表达
ZmGln1;3的玉米籽粒数目增加达30%左右(Martin et
al., 2006)。玉米是C4作物, 其光呼吸产生的NH4+较少
(Ueno et al., 2005); 因此, ZmGln1;3在叶肉细胞中
主要负责同化由NO3–还原产生的NH4+ (Martin et al.,
2006)。此外, HvGS1;2在大麦叶肉细胞中的表达量随
NO3–供应的增加而显著升高(Goodall et al., 2013),
暗示HvGS1;2可能具有同化叶片中由NO3–还原产生
的NH4+的功能。油菜的GS1进化树分析表明, 其5个
亚类均包含1个拟南芥的GS1基因, 说明油菜和拟南
芥的GS1对外界环境的响应具有高度的保守性(Orsel
et al., 2014)。故可通过拟南芥部分已知功能的GS1
基因推断油菜中GS1的功能, 但仍需确凿的实验证据
验证。
此外 , 部分NO3–仍会在根部被还原为NH4+。
ZmGln1;1定位于参与NO3–吸收的玉米根皮层细胞
(Martin et al., 2006), 可能负责在根部同化由NO3–还
原产生的NH4+。MtGS1b在非接种根瘤菌的苜蓿根中
表达量较高, 暗示其可能参与同化根系吸收的NO3–。

1.1.3 生物固氮产生的NH4+的同化
在豆科作物中, 根瘤共生固氮体系在植物氮同化过程
中非常重要。首先根瘤侵染细胞(infected cell)中的类
菌体(bacteroid), 之后通过固氮酶固定空气中的N2,
并将其转化为NH4+, 进而释放到细胞质中, 由位于细
胞质中的GS同化(图2B)。苜蓿中, MtGS1a是定位于
侵染细胞中的主要基因 (Carvalho et al., 2000a,
2000b), 其表达水平和蛋白含量都随着根瘤的发育
显著升高(Seabra et al., 2013), 暗示MtGS1a在同化
由共生固氮产生的NH4+中起重要作用。Gmglnβ (β1
和β2)与Pvgln-β分别为大豆和菜豆(Phaseolus vul-
garis)根瘤中GS1的主要形式。其中, Gmglnβ受到
NH4+诱导并在固氮活性高的根瘤中表达量较高
(Morey et al., 2002), 表明Gmglnβ (β1和β2)在同化
大豆共生固氮产生的NH4+中具重要作用。另外 ,
Gmglnγ (γ1和γ2)和Pvgln-γ是根瘤特异或根瘤增强
型表达基因。Pvgln-γ启动子分析表明, 其只在侵染细
胞中表达(Forde et al., 1989), 暗示这些基因也可能
参与同化共生固氮产生的NH4+, 但具体功能尚需进
一步研究。
1.2 植物体内铵态氮的二次同化
1.2.1 叶片衰老和种子萌发过程中产生的NH4+的再
利用
叶片衰老和种子萌发时氮的再利用都涉及从源到库
的转换, 在此过程中, 韧皮部承担着运输桥梁的作
用。自然条件下, 叶片衰老主要发生在生殖生长期,
特别是种子发育阶段。此时, 老叶(源)通过蛋白降解
释放出大量的氮, 这些氮只有被再次同化后才能通过
韧皮部向种子(库)运输。同位素实验表明, 水稻籽粒
徐晓鹏等: 植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展 157

中至少80%的氮来源于再利用过程(Mae and Ohira,
1981), 并且韧皮部运输的氮形态因植物种类及发育
程度不同而异。Gln和Asn为水稻韧皮部主要的氮形态
(Hayashi and Chino, 1990), 玉米主要以Gln通过韧
皮部向籽粒转运氮(Martin et al., 2006)。而Asn却是
玉米败育型籽粒通过穗轴向发育型籽粒输送氮源的
主要形态(Cañas et al., 2010)。
OsGS1;1、ZmGln1;4和HvGS1;1分别在水稻、
玉米及大麦的叶片衰老氮再利用过程中发挥主要作
用。OsGS1;1主要定位于根部和成熟叶片的维管束
中, 表达量随着叶片的衰老显著上升。OsGS1;1突变
体籽粒灌浆程度和每穗分支数显著降低, 叶片和叶鞘
中的NH4+浓度显著升高(Tabuchi et al., 2005)。此外,
OsNADH-GOGAT2主要为OsGS1;1提供反应底物
Glu (Yamaya and Kusano, 2014)。OsNADH-GOG-
AT2在成熟叶片中的定位与OsGS1;1相同, 其突变体
的籽粒数目也有所下降(Tamura et al., 2011)。说明
OsGS1;1和OsNADH-GOGAT2均在为水稻籽粒发育
提供氮源的过程中发挥重要作用。ZmGln1;4定位于
玉米的维管束鞘细胞, 其表达量随着叶片的衰老而增
加; 并且在ZmGln1;4的突变体中, 籽粒灌浆程度显
著降低, 但籽粒数目变化不大(Martin et al., 2006)。
暗示ZmGln1;4在玉米籽粒氮供应中起重要作用。另
外, HvGS1;1也特异地定位于大麦的维管束, 暗示其
可能具有与OsGS1;1相似的功能 (Goodall et al.,
2013)。同时 , HvGS1;1靠近1个控制GPC (grain
protein content)的QTL, 该QTL变异可导致衰老、蛋
白水解以及氮的再利用等生理变化, 说明HvGS1;1
可能是控制这些变化的候选基因 (Jukanti and
Fischer, 2008)。另外, AtGln1;2在拟南芥种子发育中
起重要作用, 其突变体种子量显著下降(Guan et al.,
2015); OsGS1;3特异地在水稻穗中表达(Tabuchi et
al., 2007), HvGS1;3 (Goodall et al., 2013)及Mt-
GS2b (Seabra et al., 2013)的表达模式与之相似, 暗
示这些基因也可能在为籽粒发育提供氮源的过程中
发挥重要作用。
植物种子中, 蛋白质是氮的主要储存形式。例如,
拟南芥种子中超过90%的氮以蛋白质的形式储存
(Baud et al., 2002), 而豆科作物本身就是蛋白质含
量很高的植物; 即使在以淀粉为主的种子中, 蛋白质
含量也约占种子干重的10%–15% (Shewry and Hal-
ford, 2002)。当种子萌发时, 存储在种子中的蛋白质
需经过降解产生NH4+ (Hong et al., 2012), 之后通过
GS同化为有机态氮后, 才能被植物利用(Rentsch et
al., 2007)。目前, 只有AtGln1;2被确切地证明参与种
子萌发时NH4+的再利用; 其突变体种子萌发畸形, 但
在外界供氮时可以恢复(Guan et al., 2015)。玉米遗
传学分析发现 , 控制种子萌发速率的QTL与Zm-
Gln1;3共定位(Limami et al., 2002), 说明GS在种子
萌发过程中具有十分重要的作用。而在其它植物中,
负责种子萌发时氮再利用的GS1基因仍还未知。

1.2.2 光呼吸产生的NH4+的再利用
植物体内氮的二次同化中, 光呼吸(photorespiration)
是一个非常重要的代谢过程。光呼吸起源于RuBP的
加氧反应 , 在核酮糖 -1,5-二磷酸羧化酶 /加氧酶
(ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase,
Rubiso)的作用下, 产生1个三碳的磷酸甘油酸和1个
二碳的磷酸乙醇酸, 所以又叫C2途径。光呼吸依次在
叶绿体、过氧化氢酶体和线粒体中进行, 消耗碳源和
ATP (Bloom, 2015)。其中, 在线粒体中, 甘氨酸转变
为丝氨酸时释放出NH3和CO2。对于C3植物来说, 光
呼吸释放的NH3较多, 是一次同化的10倍(Lam et al.,
1996)。因此, 这部分NH3的同化至关重要。许多研究
都表明, 叶绿体定位的GS2和Fd-GOGAT是同化光
呼吸释放的NH3的关键酶(Oliveira et al., 2002), 且编
码GS2和Fd-GOGAT的基因一般也只有1个。大麦的
GS2突变体不能在光呼吸下生长, 其原因主要在于氮
源的枯竭, 而不是NH4+的毒害(Lam et al., 1996)。此
外, 光呼吸产生的氨若不能及时被同化, 会以NH3的
形式释放到空气中, 这是植物氨挥发的一个重要来源
(Kumagai et al., 2011b)。水稻光呼吸强度与NH3的释
放量呈显著正相关, 并且与GS的活性也具有相关性
(Kumagai et al., 2011a); 但在油菜中却发现GS2活
性的下降并没有增加NH3的释放量(Husted et al.,
2002)。同样, CO2浓度升高降低了水稻光呼吸产生的
NH4+, 但并未改变其NH3的补偿点γ (Miyazawa et
al., 2014); 大麦的NH3补偿点γ则随着CO2浓度的升
高而降低(Wang et al., 2013)。这可能是由于两者所
利用的氮源不同所致, 升高的CO2浓度在降低光呼吸
的同时也影响了地上部NO3–的还原(Rachmilevitch
et al., 2004), 导致叶片累积的NH4+降低。可见植物
158 植物学报 51(2) 2016

NH3的挥发量取决于叶片内部NH4+的水平, 而光呼吸
是其中重要的影响因素。

1.2.3 木质素合成途径中产生的NH4+的再利用
在木质素(lignin)合成途径中, 苯丙氨酸解氨酶(PAL)
负责催化苯丙氨酸脱氨基形成反式肉桂酸, 同时产生
NH4+。植物为了充分利用氮素, 并避免过多的NH4+
产生毒害, 这部分NH4+将被GS1重新同化利用(Ber-
nard and Habash, 2009)。水稻非绿(non-green)叶片
中, GS1在其木质部的薄壁细胞中被检测到, 而这个
发育阶段的叶片正在形成次生细胞壁 (Tobin and
Yamaya, 2001)。所以GS1在此阶段的功能可能是同
化木质素合成过程中产生的NH4+。另外, 水稻GS1和
PAL在非成熟叶片中具有共定位现象(Sakurai et al.,
2001)。在小麦中, GS1同样被检测到位于薄壁细胞和
维管束鞘细胞, 其也可能参与同化木质素合成途径中
产生的NH4+, 但仍有待进一步验证(Bernard et al.,
2008)。目前关于特定GS1基因参与同化木质素合成
过程中产生的NH4+的报道较少, 值得深入研究。
2 植物铵态氮同化过程的调控
铵态氮的同化由GS/GOGAT途径完成, 这一过程不
仅消耗大量的ATP, 而且消耗大量的碳源。C/N平衡
对维持植物正常生长十分必要(Zheng, 2009), 过度
的氮同化会使植物体内的代谢水平紊乱, 影响植物生
长(Bao et al., 2014)。植物为了自身生长发育的需要,
从转录到翻译后水平, 多方面多层次地调控氮同化过
程(Bernard and Habash, 2009)。正因为氮同化受到
各种调控, 所以单一通过增加GS的表达来提高植物
氮效率的效果并不理想(Vincent et al., 1997; Fuen-
tes et al., 2001; Fei et al., 2003; Ortega et al., 2004;
Cai et al., 2009; Man et al., 2011)。在GS/GOGAT
循环中, GS的变化势必导致GOGAT的变化。因此,
目前关于调控铵态氮同化的研究主要集中在GS上,
GS的调控在转录水平、转录后水平以及翻译后水平
均有涉及(图3)。
2.1 转录水平的调控
转录水平的调控主要涉及影响基因表达量的因素。其
中, 光照、温度、NO3–、NH4+、C和N代谢物(Gln/Glu、



图3 不同水平上GS的调控示意图

Figure 3 A schematic graph of GS regulation at different
levels

氨基酸和蔗糖等)以及转录因子是调控氮同化途径上
相关基因表达的重要因素 (Oliveira and Coruzzi,
1999; Coruzzi and Zhou, 2001; Yanagisawa et al.,
2004)。
光照诱导GS的表达在一定程度上是由于光照引
起了蔗糖的改变 , 而2-OG同样能诱导GS的表达
(Oliveira and Coruzzi, 1999), 这说明糖酵解 (gly-
colysis)和三羧酸循环(TCA cycle)对于调节氮同化具
有重要作用。NO3–、NH4+的含量以及两者的比例都
会不同程度地影响氮同化基因的表达。在缺氮条件下,
拟南芥的 AtGln1;1和 AtGln1;4 (Ishiyama et al.,
2004b), 小麦的GS1都被诱导表达(Caputo et al.,
2009)。随着NH4+含量的升高, 拟南芥的AtGln1;2, 大
麦的HvGS1;3 (Goodall et al., 2013)以及水稻的
OsGS1;2和OsNADH-GOGAT1也被诱导表达(Yam-
aya and Kusano, 2014)。
Tabuchi等(2007)的研究表明, 植物中NH4+对于
氮同化的调控在很大程度上是间接通过Gln发挥作
用, 但也可能存在通过NH4+的感受子直接调控(Ho
and Tsay, 2010)。细菌中, GLND-PII双蛋白系统已被
证实可作为氮的感受子, 感知体内Gln并传递Gln信
号, 最后调控GS的表达(Arcondeguy et al., 2001);
其中PII蛋白兼具传递Gln信号和感知2-OG的功能。目
前, 拟南芥(Hsieh et al., 1998)和水稻中(Sugiyama
徐晓鹏等: 植物铵态氮同化及其调控机制的研究进展 159

et al., 2004)均已发现PII蛋白的同源蛋白, 且该蛋白
可与2-OG直接结合(Smith et al., 2003), 但尚未证明
其具有氮感受子的功能。水稻和拟南芥中则发现
PII-like蛋白可与参与精氨酸合成的乙酰谷氨酸激酶
发生作用, 导致鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸积累量下降
(Sugiyama et al., 2004; Ferrario-Mery et al., 2006;
Miller et al., 2008)。因此, 植物体内可能也具有由
PII-like蛋白介导的调节氮同化的途径。
Dof家族转录因子可以调控C代谢途径相关基因
(如PEPC和PK)的表达(Yanagisawa, 2000), 故也可
能通过调控碳源来调节氮的同化过程。低氮条件下,
在拟南芥和水稻中过表达ZmDof1都显著增强了氮的
同化(Yanagisawa et al., 2004; Kurai et al., 2011),
而在小麦中TaDof1的表达量也与增强氮同化相关
(Kumar et al., 2009)。R2R3-MYB家族成员Os-
MYB55在水稻耐受高温的过程中发挥重要作用, 可
调控OsGS1;2、GAT1和GAD3等基因的表达, 增强氨
基酸代谢(El-Kereamy et al., 2012)。拟南芥中昼夜节
律控制基因CCA1不仅可直接调控 AtGLN1;3和
GDH1的表达, 而且其本身又受到内源有机氮的调控
(Gutiérrez et al., 2008), 因此CCA1是结合氮营养和
昼夜节律的关键基因(Gutiérrez, 2012)。此外, 水稻
中编码G蛋白γ亚基的基因DEP1也参与调控了植物
对氮的响应(Sun et al., 2014), 而此调控过程也可能在
转录水平上实现。目前有报道显示, 氮多肽信号在植物
体内可以从地下部向地上部运输并返回至地下部, 从
而实现植物对土壤中不同氮素分布的适应(Tabata et
al., 2014)。此研究中硝态氮转运子的表达量明显上调,
但铵态氮转运子的表达量上调不明显, 说明这一多肽
信号可能最主要是在硝态氮同化这条通路上起作用,
对铵态氮同化的调控则是源于硝态氮同化的结果。上述
结果表明, 植物为了充分利用体内的C和N, 其铵态氮
同化在转录水平上受到多方面的调控。
2.2 转录后水平的调控
转录后水平的调控主要涉及mRNA的稳定性和翻译
的程度(Thomsen et al., 2014)。在苜蓿中转入大豆
GS1基因, 发现其3UTR区段可以调控GS1转录本的
稳定性和翻译程度, 并且这种调控受到NO3–(或是其
同化产物)或者C/N比的调节(Ortega et al., 2006)。另
外, 该调控可能是不同植物GS1基因在转录后水平上
共有的调控机制。苜蓿中MsGS1a和MsGS1b的
3UTR区段同样可以影响两者转录本的稳定性, 这进
一步证实是Gln (或是其下游产物)而不是NO3–起到调
节作用(Bindu Simon, 2010)。对GS1的5UTR进行研
究, 发现其包含了翻译起始的信号并能增强翻译, 但
不影响GS1转录本的稳定性(Ortega et al., 2012)。这
些结果表明, GS的3UTR和5UTR区段可能含有可与
C、N代谢物结合的顺式作用元件 (cis-acting ele-
ments)或者通过其它途径间接影响转录本的稳定性
和翻译强度。
2.3 翻译后水平的调控
目前, 关于铵态氮同化相关基因翻译后水平的调控研
究主要集中在GS上, 包括磷酸化(phosphorylation)、
全酶组装(holoenzyme assembly)、别构调节(allo-
steric regulation)和NO介导的硝酸化(nitration)等。其
中ACRs (ACT domain repeat proteins)是一类具有
重复氨基酸结合域ACT的蛋白。在细菌中, ACT结构
域是氨基酸的结合位点, 可对参与氨基酸代谢的酶进
行别构调节 (Liberles et al., 2005; Sung et al.,
2011)。拟南芥(Hsieh and Goodman, 2002; Sung et
al., 2011)和水稻(Hayakawa et al., 2006)中, 也分别
发现了ACRs蛋白, 但尚未证明其可与氨基酸直接结
合调节氮同化。另外, 对油菜的GS1 (Finnemann and
Schjoerring, 2000)、烟草和苜蓿的GS2进行研究, 发
现14-3-3蛋白可与磷酸化的GS结合形成蛋白复合体
(Riedel et al., 2001; Lima et al., 2006a), 从而影响
GS蛋白的稳定性。油菜中GS1的磷酸化程度受昼夜
节律以及叶片发育进程的影响, 体外实验证明这种影
响可能是由于体内ATP/AMP比例的改变所造成。黑
暗中以及衰老的叶片呼吸作用强烈, ATP/AMP比值
较高, GS1磷酸化程度较高, 与14-3-3蛋白结合后不
易被降解 , 有利于老叶中氮的再利用 (Finnemann
and Schjoerring, 2000)。然而, 苜蓿中磷酸化的GS2
与14-3-3蛋白结合后会导致特异性的降解(Lima et
al., 2006a), 同时苜蓿的GS1磷酸化后不能与14-3-3
蛋白结合, 但其与Glu的亲和力显著增加, 且磷酸化
程度在不同器官中差异显著, 在叶片以及根瘤中分别
受光照和固氮状况的影响(Lima et al., 2006b)。此外,
苜蓿根瘤中的GS受到由NO介导的酪氨酸硝化作用
的调控 , 且硝化程度随着固氮作用的减弱而增强
160 植物学报 51(2) 2016

(Melo et al., 2011), 该过程被认为是根瘤抗氧化防御
的一种机制(Melo et al., 2011; Silva and Carvalho,
2013)。
另外, 对玉米和苜蓿中GS的晶体结构研究表明,
植物的GS是由2个面对面的五聚体环组成的十聚体
(Unno et al., 2006; Seabra et al., 2009), 与细菌中
八聚体的GS有显著差异(Almassy et al., 1986)。但最
近对大豆GS1γ1的研究发现, 其很可能是由2个六聚
体环组成的十二聚体, 从而导致其对二硫键形成引起
的GS失活的敏感性增强 (Masalkar and Roberts,
2015)。Seabra等(2013)对苜蓿GS全酶活性的研究发
现, GS1和GS2都会在不同器官中形成不同的全酶复
合体, 并在特定的器官中受到特定的蛋白修饰, 这可
能是泛素化作用的结果。同时拟南芥中也会形成不同
的全酶复合体, AtGLN1;1–1;3分别占有不同的比例,
全酶活性也不尽相同(Dragićević et al., 2014)。这些
结果表明, GS在酶活水平上同样受到调控。
3 研究展望
氮同化是植物维持自身生长发育的重要环节, 并且与
碳代谢紧密相关。GS作为氮同化最重要的酶, 在各物
种研究中备受关注并取得了一系列进展。但除了水稻
中GS (OsGS1;3除外)的功能被探明地较清楚外, 其
它物种中GS的功能还有待进一步探索。虽然GOGAT
的重要性低于GS, 但其在维持GS/GOGAT循环中起
着十分重要的作用。因此, 关于GOGAT的研究需要
深入开展。在未来的研究中, 铵态氮同化不仅可以从
GS/GOGAT出发, 而且可以开拓思路, 从不同环境
条件、不同氮素形态下植物如何调控铵态氮同化的角
度进行深入挖掘。此外, 关于氮同化的调控仍有许多
生物学问题有待解决, 如植物如何调控体内的碳和氮
平衡? 如何感知体内的氮素水平? 深入研究氮同化
的分子及遗传机理有助于培育氮高效利用的作物品
种, 在减少环境污染的同时确保作物的产量。有理由
相信, 分子生物学、遗传学、计算机科学以及交叉学
科的发展将为植物铵态氮同化的研究提供更多的技
术及更广的思路, 并能揭示出更多的未解之谜。
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Advances in Study of Ammonium Assimilation and its Regulatory
Mechanism in Plants
Xiaopeng Xu1, Xiangdong Fu2, Hong Liao1*
1Root Biology Center, College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
2Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract Nitrogen is one of the most important mineral nutrient elements for plant growth and development, playing an
essential role in the whole process of plant life. Nitrogen assimilation is a central link for plants to utilize nitrogen and also
a factor in low nitrogen use efficiency in plants. It includes two types: assimilation of nitrate (NO3–) and ammonium (NH4+);
the latter is the critical step in the process of nitrogen assimilation. The source of NH4+ during ammonium assimilation can
be divided into 2 types—primary assimilation and secondary assimilation—but both proceed in the glutamine/glutamate
(GS/GOGAT) pathway. Ammonium assimilation requires much energy resources but also consumes abundant carbon
skeletons, so it is strictly regulated at different levels including transcription, post-transcription, and post-translation. We
review the current progress in study of ammonium assimilation and its regulatory mechanism in plants.
Key words ammonium, primary assimilation, secondary assimilation, GS/GOGAT, regulatory mechanism
Xu XP, Fu XD, Liao H (2016). Advances in study of ammonium assimilation and its regulatory mechanism in plants. Chin
Bull Bot 51, 152–166.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: hliao@scau.edu.cn
(责任编辑: 孙冬花)