冬小麦根部GS同工酶基因表达与氮素吸收利用关系研究

Low nitrogen use efficiency(NE) in wheat is one of serious problems in wheat agriculture. Crop NE depends on its own nitrogen metabolism ability and soil environment nitrogen supply situation.Glutamine synthetase (GS) is the key enzyme in charge of glutamine biosynthesis in nature. Different GS isoforms, either cytosolic or plastidic, have been reported, which have specific, apparently non-redundant, physiological roles in ammonium assimilation. In the research on the relationship of GS isoforms in wheat leaf with its growth and nitrogen assimilation and reassimilation, we found that the expression of GS1 in wheat root, however, their functions and expression regulation have still not well understood. In the present project, with hydroponic and field experiment, we will use realtime-PCR, native-PAGE combined with activity staining and western bloting to investigate GS isoforms genes expression and activities, simultaneously, nitrogen metabolism characteristics in root, amount of nitrogen assimilation in above- and under-ground plants, yield and nitrogen absorption efficiency( NAE), nitrogen utilization efficiency(NUE) will be determined. the role of root GS isoforms in nitrogen absorption, assimilation will be clarified, the relationship between root GS isoforms and nitrogen use efficency will be revealed, and the molecular basis of key link to improve wheat N-use efficency will be probed. All these research will provide the theoretical basis for improving wheat N-use efficency by optimizing agronomic measures or innovating germplasm resoure.

氮肥利用率低是小麦生产突出问题之一，小麦氮效率主要取决于其自身氮代谢能力和土壤环境中氮的供应状况。谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮代谢关键酶，不同GS同工酶在不同生理条件下有非重叠的作用差异。在研究小麦叶片中GS同工酶在小麦生长发育和氮素同化与再同化利用中的作用的过程中，我们发现在小麦根部有较高量的GS同工酶表达，但是其功能和表达调控至今尚少见报道。本项目在前期研究的基础上，采用大田根箱栽培与室内水培试验，研究高氮、适氮及欠氮条件下，不同氮效率小麦品种主要生育时期根系GS同工酶表达状况，并通过测定小麦根系及地上部氮同化量、产量及氮素吸收及利用效率，从转录、翻译和活性不同层次研究阐明根部GS同工酶与氮吸收同化及氮素效率之间的关系，明确小麦根部GS同工酶基因对氮素水平响应模式及关键时期，从而为高氮同化小麦种质资源创新和小麦氮高效利用农艺和定向栽培提供依据。

小麦是三大粮食作物之一。氮素是作物生长发育的必需元素，对作物产量的提高具有重要作物。在作物生产中氮肥的过量施用，在造成生产成本提高的同时，对环境产生了巨大的危害。选育氮肥高效利用的小麦品种，是解决产量和环境矛盾的重要手段。. 本项目采用室内水培与大田试验相结合的方法，研究了不同供氮水平（N8、N15、N22）下，高氮高效（周麦27、郑麦366）、高氮低效（周麦28、开麦20）、低氮高效（漯麦18、豫麦49-198）和低氮低效（西农509、矮抗58）4个类型氮效率小麦主要生育期根系GS同工酶表达状况，并通过测定小麦根系中全N、NO3--N和NH4+-N、氨基酸、可溶性蛋白等氮素吸收、同化及代谢特征的差异。结果表明，（1）根系中GS同工酶存在的主要形态是GS1，由39KD的亚基组成。在孕穗期根系中GS1的表达量最高。同时GS1在转录、翻译和活性水平上的表达受氮素的促进。氮高效型品种根系GS1表达量要高于氮低效型品种；（2）小麦根系GS同工酶、生理活性与氮素的吸收能力密切相关，氮吸收高效型小麦品种根系的生理活性显著高于吸收低效型品种；（3）小麦的氮效率取决于吸收能力和利用能力的协调作用。氮高效型品种高效的原因在于地下部的吸收和地上部的利用（转运、分配）能力均较高，表现为根冠关系协调。氮低效型品种可以分为两类，一类是吸收能力高但地上部利用（转运、分配）能力差，表现为后期根冠比过大，根系冗余；另一类是吸收能力和地上部利用能力均较差。. 通过本项研究，明确了不同氮效率小麦品种根系GS同工酶时空表达特点及不同氮效率小麦品种根系氮代谢生理特征与小麦氮素高效吸收利用的生理关系。研究结果可以为高氮效率小麦品种的选育与分子调控提供理论依据与技术参考；在项目研究结果的支撑下，分别在《Plant Physiology and Biochemistry》、《中国农业科学》等学术期刊发表项目相关（基金资助）论文4篇；获得授权国家发明专利1项；培养研究生4名。