全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (2): 111~118 111
收稿 2010-12-30　　修定 2011-01-05
* 通讯作者(E-mail: jmgong@sibs.ac.cn; Tel: 021-54924036)。
植物硝酸根信号感受与传导途径
李建勇, 龚继明*
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所, 植物分子遗传国家重点实验室, 上海 200032
摘要: 硝酸根不仅是植物的主要氮源, 而且作为重要的信号分子, 在植物的生长发育及逆境响应过程中发挥了重要作用。
本文重点介绍了硝酸根作为信号分子在基因表达, 根系、叶片发育, 种子休眠以及逆境响应调控中作用机理的最新研究进
展。
关键词: 硝酸根; 信号感受; 信号转导; 根系发育; 叶发育; 种子休眠; 逆境响应
Nitrate Signal Sensing and Transduction in Higher Plants
LI Jian-Yong, GONG Ji-Ming*
National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biologi-
cal Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
Abstract: Nitrate is the major nitrogen source from soil for higher plants, also serves as an important signal
molecule that regulates plant growth, development and stress responses. This review focuses on the physiologi-
cal and molecular mechanisms of nitrate signal to induction gene expression, regulate root architecture and leaf
expansion, relieve seed dormacy, and regulate stress response.
Key words: nitrate; signal sensing; signal transduction; root architecture; leaf expansion; seed dormancy; stress
response
氮是维持植物生长发育必需的营养元素。硝
酸根作为土壤中主要的氮源, 在土壤中的浓度随
环境条件的改变呈宽幅波动(Crawford 1995)。因
此, 植物进化出一系列的机制来主动调节其代谢
及形态发育, 以应对土壤中硝酸根浓度的剧烈变
化(Stitt 1999)。早在上世纪50年代, 生理学证据业
已表明硝酸根可以作为信号分子强烈诱导并增强
硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)的活性(Tang和
Wu 1957)。在随后的研究中, 人们逐渐发现硝酸根
作为信号分子, 不仅诱导NR的表达, 而且可以调控
硝酸根转运蛋白以及碳氮代谢等途径中许多相关
下游基因的mRNA水平(Coruzzi和Bush 2001)。利
用硝酸根代谢缺陷突变体及使用硝酸根替代氮源
(铵根、谷氨酰胺)的研究更区分出了硝酸根的营
养功能和信号功能对植物生长发育所起的区别化
作用 (Scheible等1997; Walch-Liu等2000; Wang等
2004; Alboresi等2005)。但对于植物如何感知硝酸
根信号, 以及感受后的信号如何进一步调控植物
体内的基因表达以及代谢等生理过程, 来调节植
物与环境的相互作用的分子机理研究, 直到最近
几年才取得了较大的突破, 下面分别就以上提到
的几个方面进展进行阐述。
1 硝酸根调控的基因表达
当植物感受到土壤中的硝酸根浓度变化时,
会迅速调整一系列基因的表达来调节体内的代谢
及生长发育(Vidal和Gutierrez 2008)。这些基因最
显著的表达调控特征是迅速受到硝酸根的诱导,
而且不依赖于蛋白质的从头(de novo)合成, 因此被
称为硝酸根初级响应基因, 主要包括调控硝酸根
吸收、还原以及磷酸戊糖途径和糖酵解途径相关
的基因(Wang等2000)。NR基因是第一个被发现的
硝酸根初级响应基因(Tang和Wu 1957), 使用10~50
mmol·L-1的硝酸根处理植物时, 其体内的mRNA含
量在几分钟内即发生显著增加(Melzer等1989;
Cheng等1991; Gowri等1992; Aslam等1993)。而且,
在添加蛋白质合成抑制剂后, 硝酸根仍然能够迅
速诱导NR的表达, 表明硝酸根诱导NR的表达是独
特约综述 Invited Review
植物生理学报112
立于蛋白质从头合成的(Gowri 等 1992)。除NR外,
硝酸根转运蛋白基因(NRT)也是非常重要的硝酸
根初级响应基因 , 其典型代表是N R T 2 . 1和
NRT2.2。当植物受到硝酸根饥饿时, NRT2.1和
NRT2.2的表达量会显著降低到不可检测的水平,
但是一旦将植物转移至含硝酸根的培养基时, 几
分钟内即可诱导其表达(Forde 2000)。相对于硝酸
根诱导的代谢变化等次级效应, 硝酸根初级响应
现象具有高度的稳定性, 因此该过程中一些标志
基因已经被广泛应用于研究硝酸根信号转导。
除了上述的初级响应基因, Wang等(2003)通
过系统分析经过硝酸根饥饿和短时间低浓度(250
µmol·L-1 NO3
-/20 min)诱导处理的拟南芥转录组,
发现拟南芥近10%基因的表达受到了硝酸根的影
响。在根中1 176个基因出现显著上调或下调, 在
茎中也有183个基因的表达发生显著的改变。除
去之前发现的初级硝酸根响应基因外, 还包括许
多新的参与物质代谢或调控的基因, 例如参与糖
酵解途径的葡萄糖-6-磷酸异构酶以及磷酸甘油酸
变位酶基因等, 参与铁(Fe)转运和代谢基因(烟酰
胺合成酶)、以及硫(S)元素吸收和还原的基因。
这些结果表明矿物质硝酸根在植物基因表达中所
能起到的核心调控作用(Wang等2003)。
但是, 硝酸根作为一个氮代谢的原初底物分
子, 它在同化为有机氮的过程中被还原为亚硝酸
根、铵根以及其他含氮的中间代谢产物, 而这些
代谢产物也可以作为信号分子调控基因的表达
(Walch-Liu等2006; Wang等2007; Gutierrez等
2008)。因此最初并不能确定硝酸根初级响应过程
到底是由硝酸根自身直接引发, 还是下游代谢产
物造成, 多个实验室利用来自不同物种的NR活力
缺失突变体对这个问题进行了研究。Scheible等
(1997)基于低NR活性烟草突变体进行的研究揭示,
即使硝酸根不能被有效还原, 也能调节烟草体内
的碳氮代谢平衡过程, 支持硝酸根作为信号分子
起作用的假设。更为精细的分子证据来自对拟南
芥的研究, Wang等(2004)获得了NR酶活缺失的拟
南芥双突变体nia1nia2, 该突变体在以硝酸根为唯
一氮源的培养基上无法正常生长。当该突变体和
野生型同时接受硝酸根诱导处理时, 有595个硝酸
根初级响应基因在nia1nia2突变体和野生型中的
表达都发生了显著变化。这些基因涉及到能量、
代谢、糖酵解和糖异生等重要的生理过程。通过
这些工作, 硝酸根的信号分子功能得以从其营养
功能以及下游代谢产物的信号功能中严格区分出
来, 为硝酸根信号转导研究奠定了坚实的基础。
2 植物对硝酸根信号的感受
外界的硝酸根信号如何被植物所感知这个问
题一直是研究的难点。Redinbaugh和Campbell
(1991)提出了一个模型, 认为在植物中存在一个组
成型表达的硝酸根响应途径, 该途径包括一个硝
酸根受体和硝酸根初级响应基因转录激活的调控
蛋白。关于该模型的研究进展较为缓慢, 尤其是
在硝酸根初级响应基因转录激活调控蛋白上, 相
关进展较少。
在硝酸根受体研究方面, 则在最近取得了突
破性进展, 支持了Redinbaugh提出的模型。最早人
们推测硝酸根受体位于细胞膜外侧, 主要证据就
是小麦根系周围的硝酸根浓度变化可以显著调控
硝酸根还原酶NR的表达, 而根系组织和细胞质中
的硝酸根浓度却保持在一个相对稳定的水平(Su-
eyoshi等1995)。在细菌中, 硝酸根的信号转导主要
通过His-to-Asp的磷酸化系统来实现。它们通过一
对跨膜的组氨酸激酶(NarQ和NarX)来感受外界环
境中的硝酸根变化(Stewart 1994)。植物中虽然也
存在类似的His-to-Asp磷酸化系统, 但该系统主要
是在植物的细胞分裂素和乙烯信号转导中发挥功
能(Sueyoshi等1995; Mok和Mok 2001)。在酵母中
存在一类特殊基因, 它们既是转运蛋白, 同时也可
以感受到培养基中的主要营养元素浓度变化。例
如酵母中的铵根透性酶(ammonium permease)
Mep2p基因编码一个高亲合力铵根转运蛋白, 同时
它也是一个铵根受体, 可以感受到培养基中铵根
浓度的变化, 以此调控酵母假菌丝分化的初始过
程(Lorenz和Heitman 1998)。受此启发, 人们也猜
测硝酸根受体是否可能就是某一个或几个硝酸根
转运蛋白。其中CHL1 (NRT1.1)和NRT2.1的可能
性最大, 因为正向和反向遗传学研究证据皆表明
它们的功能缺失突变体存在一些不同于野生型的
硝酸根信号转导特征, 例如硝酸根调控的根系发
育和基因表达都发生了显著变化(Cerezo等2001;
Little等2005; Remans等2006)。基于这些确凿的证
李建勇等: 植物硝酸根信号感受与传导途径 113
据, Tsay实验室通过精密的实验设计和详实的数
据, 证明了CHL1确实是一个硝酸根受体(Liu等
1999)。在研究中, 他们筛选到一个特殊的CHL1等
位突变体chl1-9, 该突变体蛋白丧失了转运硝酸根
的能力, 但却保留了正常的硝酸根应答反应, 证明
了CHL1转运硝酸根的功能和其作为硝酸根受体的
功能是相互独立的(Ho等2009)。当植物处于较低的
硝酸根浓度环境中时(硝酸根浓度小于1 mmol·L-1, 图
1-A), CHL1可以激活类钙调磷酸酶B蛋白CBL9, 激
活后的CBL9通过某种未知机制和类钙调磷酸酶B
互作蛋白激酶CIPK23结合在一起形成蛋白复合
体, 并磷酸化CHL1蛋白第101位上的苏氨酸(threo-
nine 101, T101)。一旦CHL1被磷酸化, 它就会转变
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较低水
平的硝酸根初级反应。当外部环境中的硝酸根浓
度大于1 mmol·L-1时(图1-B), CHL1不能被CBL9-
CIPK23复合体磷酸化, 保持低亲和力的硝酸根转
运能力, 并激活而且增强植物在较高硝酸根浓度
下的硝酸根初级反应。该过程需要另外一个类钙
调磷酸酶B互作蛋白激酶CIPK8的协助。CIPK8被
一个未知的CBL蛋白激活, 并可能在一个不同于
T101的位点磷酸化CHL1 (Liu等1999; Liu和Tsay
2003; Ho等2009; Vert和Chory 2009)。
3 硝酸根信号调控的重要生理过程
3.1 硝酸根信号与根系发育
硝酸根作为植物的主要氮源和重要的信号分
子, 对根系的发育起着重要的调控作用。增加拟
南芥根系局部区域的硝酸根浓度, 可以显著促进
该区域侧根的生长, 尤其是侧根的伸长(Zhang和
Forde 1998), 而替代氮源如铵(NH4
+)、谷氨酰胺
(Gln)则没有类似的作用(Zhang和Forde 1998)。谷
类作物中硝酸根促进侧根伸长的表型更为明显,
其侧根的产生数量和长度都有显著的增加(Granato
和Raper 1989)。
硝酸根作为信号促进侧根伸长的分子调控机
理研究的主要成就在于ANR1基因的克隆。该基因
属于MADS box家族基因之一, 受硝酸根诱导表达,
编码一个转录因子蛋白。其突变体S10在局部硝
酸根浓度高的地方没有出现类似促进侧根发育的
表型(图2) (Zhang和Forde 1998)。由于硝酸根具有
营养和信号分子的双重功能, 为了鉴定到底是硝
酸根的哪种功能在促进侧根发育中发挥了主要作
用, 鉴定了硝酸根还原酶双突变体nia1nia2在局部
高硝酸根浓度刺激下的侧根发育表型, 结果发现
其表型与野生型基本一致(Zhang和Forde 1998)。揭
图 1 植物对环境硝酸根浓度的感受过程
(修改自Vert和Chory 2009)
Fig.1 The process of nitrate sensing in plant cells
(modified from Vert and Chory 2009)
图2 ANR1调控局部高浓度硝酸根地区侧根的伸长
(摘自Zhang 和 Forde 1998)
Fig.2 ANR1 gene was involved in the lateral root’s elongation
within nitrate rich zone (from Zhang and Forde 1998)
C24: 对照株; S10: ANR1突变株; C: 无NO3-处理; +NO3-: 局部
NO3
-处理。
植物生理学报114
示硝酸根刺激侧根发育的效应来自于其信号功能,
但ANR1调控的直接下游蛋白迄今尚未找到。Re-
mans等(2006)的研究表明, CHL1可能是ANR1的上
游调控因子, 因为chl1突变体在局部高浓度硝酸根
区域没有出现侧根伸长的表型, 与之相对应的是
根尖中ANR1的表达也显著下调。因此一个可能的
模型是CHL1在感受到局部高浓度的硝酸根信号
后, 然后把信号传导给ANR1, 促进ANR1的表达,
ANR1然后调控未知的下游基因, 促进侧根的伸
长。
最近的研究则揭示硝酸根信号与miR393以及
生长素受体AFB3协同作用调控植物根的发育。植
物感受硝酸根信号后, AFB3的表达增强, 使植物对
生长素的敏感性提高, 随后一些对生长素敏感的
基因的表达水平发生变化, 导致植物主根伸长受
抑制并诱导侧根的生长。但同时, 硝酸根被根系
吸收后代谢成为铵根、谷氨酸或者其他氮代谢产
物。这些下游的代谢产物可以诱导miR393的表达
上调, 上调后的miR393则抑制AFB3的表达, 使其表
达水平回调(图3)(Vidal等2010)。该研究拓展了我
们对硝酸根信号参与植物根系发育的认识 , 但
CHL1以及ANR1是介入该表观调控途径, 还是独立
于该途径之外, 仍有待于进一步研究证据的获得。
3.2 硝酸根信号与叶片发育
硝酸根信号调控的另外一个重要生理过程是
叶片的发育。当营养缺乏的时候, 植物会调整营
养元素在地上部分和地下部分中的分配, 以增加
其在根中的比例, 降低营养缺乏对根系发育的影
响(Ericsson 1995), 因此叶片的发育对于硝酸根营
养状况较敏感。绿豆和烟草在硝酸根缺乏的土壤
中生长时, 叶片细胞的分裂速度和细胞大小都显
著降低 , 叶片的面积也比其正常生长条件下小
(Roggatz等1999; Walch-Liu等2000)。重新加入硝
酸根可以使叶片的发育趋于正常; 但替代氮源如
铵根的加入则不能恢复叶片的正常发育(McDon-
ald等1996; Walch-Liu等2000)。先前的研究表明,
植物在使用铵根时, 木质部伤流液中的细胞分裂
素浓度与使用硝酸根相比显著降低(Sattelmacher
和Marschner 1978; Samuelson和Larsson 1993)。揭
示硝酸根很可能作为信号分子影响了细胞分裂素
在根部的合成, 并最终影响叶片的发育(图4)。细
胞分裂素可以迅速诱导很多基因的表达, 这些基
因主要属于Type-A家族(Urao等2000)。在这些被
诱导的基因中 , 有部分也受硝酸根的强烈诱导
(Taniguchi等1998), 其中的ARR5基因主要在地上
部的顶端分生组织表达, 有可能通过整合硝酸根
和细胞分裂素信号来调控叶片的发育(DAgostino
等2000)。
图3 miR393/AFB3在硝酸根调控下调节植物根系发育(修
改自Vidal 等 2010)
Fig.3 Working model for miR393/AFB3 in nitrate regulated
root architecture (modified from Vidal et al 2010)
图4 硝酸根长距离信号转导参与调控叶片发育的
可能作用机理 (修改自Forde 2002)
Fig.4 The nitrate long-range signaling pathway regulates
leaf expansion (modified from Forde 2002)
李建勇等: 植物硝酸根信号感受与传导途径 115
3.3 硝酸根信号与种子休眠
种子休眠是植物在长期系统进化过程中获得
的一种环境适应性特性。这种特性能够确保物种
在恶劣的环境中存活, 防止种子在不适宜的季节
萌发。脱落酸(ABA)和赤霉素(GAs)是影响植物种
子萌发和休眠的两个最主要因素(Finkelstein等
2008)。除此外, 研究还发现使用外源硝酸根处理
植物种子, 可以打破休眠, 促进种子萌发, 而且这
种硝酸根促进萌发的现象不依赖于硝酸根还原酶
NR的活性(Hilhorst和Karssen 1988; Derkx和Kars-
sen 1993), 预示硝酸根可能作为信号分子来参与调
控种子萌发。
Chopin等(2007)发现拟南芥NRT2.7基因在种
子中特异高表达, 主要负责从种子细胞的细胞质
向液泡中运输硝酸根。该基因突变后, 突变体种
子中硝酸根的含量会显著降低, 种子的休眠程度
也增强。尽管突变体种子中的硝酸根含量显著降
低, 但是硝酸根在植物种子中占总氮的比例非常
低, 因此种子中的硝酸根通过营养功效调节种子
休眠的效应应该非常微弱, 更有可能是作为信号
分子或者是渗透调节物质来参与调控种子的休
眠。与该假设一致的是, 使用硝酸根的下游代谢
产物如谷氨酰胺(Gln), 并不能减缓种子的休眠程
度(Alboresi等2005), 这些证据表明硝酸根主要作
为信号分子参与调控种子休眠。
关于硝酸根调控种子休眠和萌发的机理目前
还不太清楚, 但有一种较有影响力的推论, 即外
源或内源硝酸根信号很有可能是通过影响种子中
ABA、GAs合成或代谢途径, 从而可以调控种子的
休眠状况。支持该推论的证据包括硝酸根在种子
中的积累可以增加种子中GAs的合成, 或者降低种
子萌发过程中对GAs的需求等(Hilhorst和Karssen
1988; Alboresi等2005); 此外, 硝酸根处理拟南芥休
眠生态型Cvi的种子, 可以增强种子中ABA的氧化
代谢, 抑制ABA的重新合成, 使ABA的含量迅速降
低, 从而打破种子的休眠, 促进萌发(Ali-Rachedi等
2004)。另外的研究则发现, 外源添加硝酸根可以
降低植物萌发过程中对光敏色素A的依赖, 促进拟
南芥Ler生态型种子的萌发(Batak等2002)。
植物在生长过程中, 经常会遇到土壤中氮素
缺乏的情况。当植物感受到氮素缺乏状态后, 会
把这种信号传递给种子并减少种子中硝酸根的积
累, 以此来增加种子的休眠作用, 避免种子在不适
宜的情况下萌发。当土壤的氮素营养适宜的时候,
又会通过与其他信号途径如ABA和GAs的相互作
用来解除休眠, 刺激种子萌发。因此硝酸根信号
调控的种子休眠可能是植物在长期进化过程中形
成的一种自我保护机制(Alboresi等2005)。
3.4 硝酸根信号与逆境响应
逆境会影响植物吸收同化硝酸根的能力(Singh
等1988), 但反过来硝酸根作为一种信号分子能否
调节植物对逆境的响应？从逻辑上讲这种调节应
该是存在的, 但是相关的机理研究则少见报道。
最早有关硝酸根调控植物抗逆的分子机理研究与
CHL1有关, 研究发现CHL1功能缺失后, 突变体对
干旱的抗性增强, 主要是由于突变体保卫细胞在
开放过程中硝酸根含量降低, 所以不能产生硝酸
根诱导的去极化, 导致突变体的气孔开放度低于
野生型, 因此其失水速度降低, 抗旱性增强(Guo等
2003)。但该研究提供的证据不足以支持硝酸根作
为信号分子来参与调控植物抗旱的推论, 而硝酸
根更可能是作为一种渗透调节物质来调控气孔的
开度。
最近, Li等(2010)的研究则为硝酸根信号可能
介入逆境响应调控提供了直接的分子证据。 以前
研究表明, 重金属胁迫将极大抑制硝酸根吸收代
谢途径的酶活力(Hernandez等1997; Chaffei等
2004), 但Li等(2010)在分析镉胁迫条件下的拟南芥
基因转录组时, 发现NRT1.8受镉诱导, 是氮吸收代
谢途径中唯一受镉强烈诱导表达的基因。进一步
的分析表明该基因编码一个pH依赖的低亲和力硝
酸根吸收蛋白, 其基本作用在于将木质部伤流液
中的硝酸根跨膜转运到木质部薄壁细胞内, 从而
调控硝酸根从根到茎的长途转运。在镉胁迫条件
下, NRT1.8在根部诱导表达, 导致更多的硝酸根分
配到根中, 并提高植物对镉的抗性(Li等2010)。与
之相对应的是, 负责硝酸根木质部装载的NRT1.5
基因(Lin等2008)在镉胁迫时表达量降低, 而且
nrt1.5突变体表现出与nrt1.8突变体相反的表型(Li
等2010), 揭示NRT1.8与NRT1.5协同作用将硝酸根
留在根中从而调控植物对镉的抗性。不仅如此,
这2个基因在多种逆境下表现出与镉胁迫类似的
植物生理学报116
表达特征, 预示这2个基因协同调控的硝酸根向根
部的再分配是植物逆境胁迫响应中一种比较普遍
的机制(未发表的数据)。鉴于参与再分配的硝酸
根只占总氮的很小比例, 作者推测其作为营养成
分起作用的可能性不大, 支持该推论的证据来自
NRT1.8过表达植株体内多种硝酸根吸收代谢基因
的组成型表达(Li等2010)。更为直接的实验验证
可能包括利用NR活力缺失突变体来进一步研究硝
酸根再分配信号对基因表达的影响, 尤其是对一
些初级响应基因的影响, 以及基于对NRT1.8基因
更深入的作用机理解析。
4 总结与展望
硝酸根作为信号分子的研究只有几十年的历
史, 但是它在植物生长发育以及逆境反应等生理
过程中的重要作用已经开始得到重视。尽管也取
得了一些进展(Zhang和Forde 1998; Ho等2009), 但
是还有很多基础的问题有待解决。包括我们已经
知道CHL1是硝酸根受体, 那植物中是否还存在其
他的硝酸根受体呢？如感受细胞质中硝酸根浓度
变化的受体, 或者是位于特定组织部位感受硝酸
根在植物地下和地上部位分配比例变化的受体。
此外, 已经明确硝酸根信号可以调节许多基因的
表达, 这些基因分别参与了植物体内众多重要生
理过程 , 如硝酸根的吸收和代谢、氨基酸的代
谢、光合作用、激素代谢以及信号转导等途径,
并最终调控植物的生长发育(Wang等2000, 2003,
2004; Gutierrez等2007; Vidal等2008)。但是这些基
因响应硝酸根信号的分子反应与最终的生长发育
改变表型之间, 还存在巨大的空白有待进一步深
入研究和阐明。
硝酸根信号转导研究的另一个挑战是, 植物
体内的很多代谢过程和信号转导都不是独立运作
的 , 而是存在一个及其复杂的互作网络(Forde
2002; Vidal和Gutierrez 2008; Krouk等2009), 如硝
酸根代谢就与碳代谢紧密偶联, 相互促进, 相互制
约。如何将硝酸根代谢及信号转导和其他代谢途
径和信号, 比如激素分子, 碳、硫、磷等营养元素
整合起来, 从基因组整体水平上调控基因的表达,
并最终影响植物的生长发育, 很可能是以后研究
的一个热点和难点(Taniguchi等1998; Prosser等
2001; Palenchar等2004; Sakakibara等2006; Wang等
2007)。通过系统生物学和生物信息学的研究, 虽
然也取得了部分进展, 尤其是在碳氮信号相互作
用研究上取得了一些成果, 但深入了解和详尽阐
释硝酸根信号转导在植物生长发育过程中的具体
作用机理还有很多工作要做。随着科学技术的进
一步发展, 结合传统的分子生物学、生物化学以
及生物信息学等手段, 相信在不久的将来会有更
多重大的发现。这对于降低农业的经济和生态成
本, 提高农作物抗性以及产量, 保持农业的可持续
发展都将起到很好的促进作用。
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