水稻响应低铵和高铵的分子生理学机制及调控

Amount of ammonium, which is the major nitrogen souces in rice field, is excessive in short-term while deficient in long-term. This seriously affected the growth and development of rice plants and had negative impact for food production. Enhancing the adaption ability of rice to the changing environment of ammonium and subsquencently increasing nitrogen use efficiency has been urgently required to meet production demands in our agricultural system. p. With the combination of plant nutritional, plant physiological, pharmacology, genetics, and molecular approaches, we aim to discover the underlying mechanism how rice plants adapted to the changing environment of ammonium. . The main objectives are to investigate systematically the physical and morphological characteristics of rice root in response to low/high ammonium, and the physiological process of aboveground/underground communiation by characterizing the s function of genes OsAMTs, OsVTC1, OsAUX1, OsARG1 and OsAMOS1. This allows to identify the key genes involved in this regulatory process, and generate a network of these molecular regulatory pathway. Our results will provide not only an important scientific knowledge to improve the current rice varieties to more efficiently adapt to the changing environment of ammonium for increasing nitrogen use efficiency, and also an valuable stratergy for breeding high-NUE (nitrogen use efficiency) varieties and developing novel fertilization technology.

我国稻田土壤环境存在铵态氮短期过量与长期不足的现象，严重影响水稻生长发育。因此，如何提高水稻对环境铵态氮变化的适应能力和氮素利用率成为新形势下我国水稻生产的重要需求。本项目以喜铵作物水稻为研究对象，以如何提高水稻对土壤铵态氮变化的适应能力为研究主线，综合采用植物营养学、植物生理学、遗传学和分子生物学方法，以水稻OsAMTs, OsVTC1, OsAUX1, OsARG1, OsAMOS1等基因的功能研究为切入点，系统研究水稻根系应答低铵/高铵环境的生理形态响应特征和地上/地下部协调的生理变化过程，明确参与应答过程的“候选基因”，揭示土壤环境铵变化条件下水稻根系生理形态应答过程和地上/地下部协调过程的分子调控途径，探讨各调控途径之间的相互联系，为提高现有水稻品种氮素利用率和适应土壤环境铵变化的生物学潜力提供理论基础，并为水稻氮高效新品种选育和创新施肥模式探索提供新的发展思路和依据。

本研究以水稻为研究对象，系统研究了水稻根系应答铵态氮变化的生理形态特征及地上/地下部协调过程和关键基因功能。首次量化了OsAMTs 家族基因在水稻低铵吸收中的功能占比，其中OsAMT1;1与OsAMT1;2蛋白是水稻根系高亲和铵吸收能力的主要贡献者，共同介导了水稻侧根对局部供铵的响应；铵信号通过诱导AtAMT1;3 T464位点的磷酸化修饰调控蛋白的活性与稳定性。明确了OsVTC1, OsAUX1, OsARG1, OsAMOS1等基因家族中OsVTC1.1和OsVTC1.3、OsAUX1.1, 1.2, 1.3, 1.4、OsARG1.1和1.2、OsAMOS1等成员参与了水稻高铵应答，并阐述了它们的作用机制。揭示了OsEIL1-OsVTC1.3-OsGS1.2途径调控的铵离子的跨膜无效循环和GS酶活性的耐高铵机制；明确了OsSAPK9介导的OsbZIP20磷酸化过程是内源ABA启动水稻高铵抗性过程；证实了OsAMOS1介导的地上/地下协同机制，促进地上部铵离子代谢，并维持高铵下的光合能力为根系提供能量和碳源。在已有的根系高铵敏感的生物学机制基础上，新发现了“铵-铁协同”机制；证实了植物中存在特异的ncRNA介导氮依赖的AMT1s转录后水平调控机制，协调对高铵/低铵的共响应过程。综上所述，我们紧紧围绕“水稻响应低铵和高铵的分子生理学机制及调控”开展工作，已正式在SCI源刊、中文核心期刊及其他刊物上发表标注本项目资助的论文20篇，SCI影响因子大于5.0的8篇（其中第一标注资助SCI论文11篇），主办了1次国际学术研讨会和1次国内学术会议，研究探明了水稻应答低铵和高铵的生理和形态响应特征，明确了参与水稻应答低铵和高铵过程中的关键基因，揭示了低铵/高铵环境下水稻生理和形态应答过程的分子调控途径，并探讨了各分子调控途径之间的相互关系；提出了水稻应答低铵和高铵环境的分子生理作用模式。