玉米根系铵态氮吸收的分子机制研究

提高作物对土壤氮素养分的吸收效率是实现资源高效可持续发展农业的重要途径。铵态氮做为重要的氮源被作物吸收利用，因而阐明根系铵吸收过程的生理和分子机制是实现作物氮高效的关键。为了研究玉米根系铵吸收的分子机制，本小组在前期工作中利用玉米根cDNA文库功能互补酵母突变体分离到两个玉米铵转运蛋白（AMT）功能基因，并初步分析了它们的表达模式。本项目拟进一步在玉米根中原位研究这两个AMT的组织细胞学定位和在拟南芥AMT多缺失突变体中研究它们转运铵的生化特性。并且通过在不同氮处理下和不同氮效率玉米材料间的AMT表达水平变化与根系铵吸收速率变化的关联分析，最终明确它们在玉米根系铵吸收过程中的作用。同时利用水稻根表特异性启动子在转基因玉米中过量表达AMT基因来提高玉米根系的铵吸收能力。研究结果将不仅阐明玉米根系铵吸收的分子机制，而且为我国开展玉米氮高效转基因育种创制新材料。

提高作物对土壤氮素养分的吸收效率是实现资源高效可持续发展农业的重要途径。铵态氮做为重要的氮源被作物根系吸收利用，阐明根系铵吸收过程的生理和分子机制是实现作物氮高效的关键。为了研究玉米根系铵吸收的分子机制，本项目构建了玉米根系特异的cDNA酵母表达文库，通过功能互补酵母铵吸收突变体分离到两个玉米铵转运蛋白功能基因（ZmAMT1;1a和ZmAMT1;3）。在AMT缺失拟南芥背景中异源表达ZmAMT1;1a和ZmAMT1;3基因，表明它们具有高亲和转运铵的功能，亲和力(Km)分别为48和33 µM。定量PCR和原位杂交实验表明，ZmAMT1;1a和ZmAMT1;3基因在玉米根中高表达，尤其在根表皮中大量表达，说明它们主要负责玉米根系对铵态氮吸收。玉米根系铵吸收能力受到转运底物铵的诱导，其归因于供铵能够诱导ZmAMT1;1a和ZmAMT1;3基因和蛋白表达水平的上调，并且发现不是铵本身，而是铵的代谢产物谷氨酰胺参与了这一调控过程。利用组成型启动子和根表特异性启动子在转基因玉米中过量表达ZmAMT1;1a基因来提高玉米根系的铵吸收能力。这些研究结果不仅阐明玉米根系铵吸收的分子机制，并为玉米氮高效转基因育种提供优异基因资源和遗传材料。