水稻RST1/OsARFx调控氮素代谢应答高盐胁迫的分子机理

Asparagine synthetase (AS) synthesizes asparagine by the transfer of the glutamine-amide group to aspartate, which is coupled with the primary assimilation of NH4+ by glutamine synthetase/glutamate synthase (GS/GOGAT) cycle. Classical studies showed that expression of AS genes in various plants changes depending upon various stresses. Many investigations have revealed the essential roles of auxin response factors (ARFs) in plant growth and development as well as in stress adaptation. Here we will determine the transcriptional repression activity of RST1/OsARFx and it’s role in modulating OsASN1 (a rice AS gene) transcription. We will investigate the function of RST1/OsARFx and OsASN1 in regulating nitrogen metabolism under salt stress. The study will reveal the molecular mechanisms of RST1/OsARFx in regulating nitrogen metabolism responding to salt stress in rice, which will provide scientific basis and genetic resources for improving crop salt tolerance.

植物氮素的同化过程中，NH4+经谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合酶循环（Glutamine synthetase/Glutamate synthase, GS/GOGAT）合成谷氨酰胺，随之天冬氨酰胺合成酶将天冬氨酸上的氨基转移至谷氨酰胺合成天冬酰胺。前人研究表明，许多植物中天冬酰胺合成酶基因的表达受各种胁迫调控。生长素响应因子（Auxin response factors, ARFs）在植物生长、发育以及逆境响应等过程中发挥重要作用。本项目着重研究：一个水稻ARF转录因子RST1/OsARFx的转录抑制活性及其对天冬酰胺合成酶基因OsASN1的转录调控；RST1/OsARFx调控OsASN1的表达参与氮素代谢应答盐胁迫的生理功能。本研究的目的是揭示由水稻RST1/OsARFx介导的氮素代谢应答高盐胁迫的分子机理，为提高农作物抗盐的分子遗传改良提供科学依据和基因资源。

盐胁迫对植物营养代谢不利，但植物如何通过改变营养代谢过程来适应盐胁迫的机制还不清楚。通过图位克隆，我们发现了一个新的水稻中与耐盐相关基因RST1（RICE SALT TOLERANCE 1），它编码水稻中生长素响应因子（auxin response factor）OsARF18，在幼苗期和生殖生长期均负调控水稻耐盐性。分子生物学证据表明，RST1在水稻各组织中广泛表达，受盐胁迫、干旱、ABA等处理诱导，是一个定位于细胞核的转录抑制因子。RST1能直接结合下游基因OsAS1的启动子并抑制其表达。天冬酰胺（Asn）在植物游离氨基酸中氮炭比含量高，作为正常营养和胁迫条件下重要的氮运输和储存的形式，它的合成主要由天冬酰胺合成酶（AS，EC6.3.5.4）催化。水稻RST1功能缺失后，植物体内OsAS1的表达升高，进而促进Asn的合成。RST1/OsAS1模块调控了盐胁迫下水稻组织中游离Asn的含量、相对比例，以及地上部NH4+的积累。另外，RST1/OsAS1也是不同氮源下的水稻耐盐性差异的重要调节子。在自然遗传群体中，RST1可分为三个单倍型，其编码区的变异改变了RST1的转录抑制活性，进而影响盐胁迫下不同单倍型之间地上部Na+、Na+/K+的差异，这些自然变异同时也影响了不同单倍型之间种子粒宽、千粒重的改变。大田实验表明，RST1功能缺失不仅提高了水稻正常条件下的产量，同时也能提高盐胁迫下的产量。这些发现揭示了前所未知的由ARF介导的氮代谢参与水稻耐盐的分子机制，为将来耐盐育种提供了重要信息及材料。