不同形态氮素诱导杨树根部形态差异的分子机制研究

Different forms of nitrogen can cause the morphological and physiological changes of plant roots; however, the related molecular mechanisms are still not well known. Poplar trees would be an ideal model plant for revealing the potentially regulating mechanisms, due to sensitive responses of poplar roots to different forms of nitrogen, clear background of its genome, and mature methods related to molecular biology. Recent studies by our group and the others demonstrated that selecting an appropriate root development period to study nitrogen forms specific genes’ changes would be a key factor revealing the molecular mechanisms of poplar root responses to different nitrogen treatments. It is known that there is a common pathway for the metabolisms of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen; therefore it would be very difficult to identify the ammonium- or nitrate-nitrogen specific response genes if not excluding the interference of nitrogen metabolites produced by nitrogen treatment. In view of the above issues, in this project, we will first study the morphological and physiological changes of nitrogen forms-treated roots to determine the optimal study period. Then we will screening and identify the ammonium- or nitrate-nitrogen specific response genes by investigating transcriptome changes of poplar roots treated by different nitrogen forms in combining with an application of the key enzymes NR and GS inhibitors, Na2WO4 and MSX. In addition, we will also analyze the molecular events at the transcriptional level based on the expression profiles of nitrogen-form treated poplar roots at different treatment stages. Based on the above results, we would finally expect exploring the transcriptional-level mechanisms regulating the morphological difference of poplar roots with different nitrogen forms.

不同形态氮素会引起植物根部形态和生理上的变化；但调控上述变化的分子机理还不清楚。杨树根系对不同氮素形态反应敏感，基因组背景清晰，相关分子生物学研究手段成熟，因此是揭示上述机理的合适材料。现有研究发现，不同氮素处理后选择根部恰当发育时期，确定不同氮素形态响应特异基因，是解析上述问题的关键。由于铵态氮和硝态氮代谢有共同通路，排除氮素处理后产生的氮代谢产物干扰，鉴定出铵态氮和硝态氮特异响应基因，是本项目另一个难点。针对上述问题，本项目以形态学、生理学研究结果为依据，确定最佳研究时期；将铵态氮和硝态氮同化过程中的关键酶NR和GS的抑制剂——钨酸钠和MSX应用于不同氮素形态处理下杨树根部转录组研究中，筛选和鉴定铵态氮和硝态氮特异响应基因；结合不同形态氮素处理下的杨树根部不同发育时期的表达谱，分析不同阶段在转录水平上发生的分子事件，最终在转录水平上探明氮素形态对杨树根部形态差异可能的分子机制。

杨树等木本植物对环境中无机氮素的获取具有显著的偏好性，不同形态氮素会引起杨树根部形态和生理上的变化，同时导致地上部分形态差异，但调控上述变化的分子机理还不清楚。课题组采用不同浓度、不同形态氮素处理小黑杨幼苗，通过形态观察及生理指标分析，揭示了小黑杨根系形态及氨基酸、铵态氮、硝态氮含量等指标变化趋势；采用荧光定量PCR技术确定部分氮吸收与同化相关基因的表达模式；.结合形态、生理、基因表达的结果确定取样时间点，进行RNA-Seq测序，并进行转录组学分析。结果显示，氮素形态及供氮水平差异均能引起广泛的基因表达变化；采用K-Means聚类方法揭示氮素处理不同时期转录水平发生的生物学途径变化；采用WGCNA方法确定氮素处理特定时期发挥主要作用的生物学过程；交叉表法确定不同形态氮素处理下在杨树根部发挥重要作用的关键转录因子；共表达网络差异性分析揭示不同形态氮素对氮代谢相关基因的影响权重。.通过对上述结果的整合分析，最终确定KAN1、MYB56两个转录因子，TCP、dof两个转录因子家族，AS、AlaAT两个氮代谢相关基因家族，以及GS及GDH两个氮代谢相关基因在不同形态氮素导致小黑杨根系形态建成差异的初期发挥重要的作用。采用定量PCR技术检测抑制剂处理后的小黑杨根系上述基因表达模式，确定这些基因可能受调控的机制。.本研究首次以杨树为材料，采用转录组学手段，对不同形态氮素引起的根部形态、生理变化的分子机制，进行了深入细致的研究，研究结论将为阐释不同形态氮素调控杨树根系形态建成差异的分子机制奠定重要基础。利用鉴定的铵态氮或硝态氮特异响应的转录因子或功能基因，采用基因工程手段定向、精准培育具有特定形态氮素吸收和利用能力的杨树品种，对实现依据土壤氮素形态差异，“适地适树”造林，具有一定实践意义。