超量表达氮代谢途径关键基因对水稻碳-氮代谢平衡影响的研究

由于物质与能量之间的传递，植物的氮代谢往往与碳代谢紧密连锁，碳-氮代谢之间存在着相互偶联、相互制约的关系，它们之间的代谢平衡是植物的生长发育和产量形成的重要基础。本项目以前期研究获得的超量表达氮代谢关键基因（OsAMT1;3、OsGS1;1、OsGS1;2）的转基因水稻为研究材料，从基因水平和生理生化水平上研究分析在不同氮营养水平下转基因与野生型水稻植株中碳-氮代谢关键基因的表达水平、关键酶的活性、碳-氮的吸收转运和分配以及主要碳-氮化合物的含量，其目的是从碳-氮代谢平衡上阐明上述转基因植株对氮高效但不高产的主要原因，为今后养分高效高产转基水稻或其他作物新品种的培育提供理论依据和研究策略。

碳和氮是植物生长发育必需的大量营养元素，也是决定作物产量的主要限制因子。植物体内的碳、氮水平及其分配和代谢是相互联系、不可分割的，它们之间相互促进又相互制约，决定着植物的生长和发育过程。高等植物对无机氮的吸收主要依赖于根系硝酸根转运蛋白（NRT）和铵离子转运蛋白（AMT）的主动运输功能；根系吸收进入体内的无机氮经过还原后同化为氨基酸的第一步反应是通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合酶（GS/GOGAT）循环来行驶的。本项目以超量表达氮代谢关键基因（OsAMT1;3、OsGS1;1、OsGS1;2）的转基因水稻为研究材料，从基因水平和生理生化水平上研究分析在不同氮营养水平下转基因与野生型水稻植株中碳-氮代谢关键基因的表达水平、关键酶的活性、碳-氮的吸收运输和分配利用以及相关碳-氮化合物含量的变化。主要研究结果如下：超量表达单个氮代谢关键基因容易造成转基因植株体内碳-氮生理生化代谢的紊乱，碳氮失衡， 最终导致生长受限（特别是营养生长后期和生殖生长时期），产量降低。与野生型相比，超量表达OsAMT1;3、OsGS1;1、OsGS1;2转基因植株的根长、株高、根干重、地上部干重、产量均显著降低；转基因植株碳/氮比出现显著差异，导致碳氮失衡（超量表达GS1;1、GS1;2转基因植株茎杆中碳/氮比显著降低，超量表达AMT1;3转基因植株叶片中碳/氮比显著升高）；转基因植株对氮的吸收运输能力降低；体内水溶性蛋白质和碳水化合物含量发生显著变化，导致体内碳-氮代谢紊乱。从代谢组和基因表达分析结果看，超量表达OsAMT1;3、OsGS1;1、OsGS1;2转基因植株中碳氮代谢产物和关键基因的表达水平均发生变化，其变化模式存在根与叶之间的不一致，甚至相反；不同转基因材料间与不同氮营养水平间存在明显差异；与超量表达AMT1;3转基因植株相比，超量表达GS1;1、、GS1;2 转基因植株中的变化幅度更加大，变化模式更加多样化。研究结果表明，超量表达单个氮代谢关键基因造成了转基因植株体内碳-氮代谢紊乱、碳/氮比例失调，不利于植株的生长发育和产量形成，为今后养分高效高产转基因水稻或其他作物新品种的培育提供参考依据。