不同铵浓度下杨树根部AMT、GS1及GOGAT基因的协调表达调控机制

Ammonium can be used as a nitrogen source for plants, while the excessive accumulated ammonium is toxic to plant cell. Therefore, the expression of AMT gene and GS, GOGAT genes, which are responsible for ammonium absorption and ammonium assimilation respectively, requires a highly coordinated control in plant, however, its mechanism remains unclear. For the good adaptability to a variety of nitrogen conditions, we select Populus as an ideal model system for studying the molecular mechanisms of ammonium absorption and assimilation in woody plant. The main objectives include: identify the expression pattern of AMT, GS and GOGAT genes in Populus root which is the main organ to absorb and assimilate ammonium; investigate the regulatory mechanisms underlying the effects of different contents of NH4+, Gln, Glu on the expression of AMT, GS and GOGAT genes in root, by applying different ammonium, exogenous substrates and enzyme inhibitors; overexpress AMT, GS and GOGAT genes respectively and compare their responses with the control plant to verify the regulatory mechanisms; identify the transcription factors regulating the AMT, GS and GOGAT expression with the transcriptomic approach. Our research will shed new lights on the expression mechanisms of AMT, GS and GOGAT genes during ammonium absorption and assimilation process in Populus.

植物可利用铵作为氮源，满足生长发育过程中对氮素的需要。植物细胞中过多的铵会产生氨毒效应。因此控制铵吸收的AMT与控制同化的GS和GOGAT基因之间可能存在协同表达调控机制。杨树对不同供氮环境具有良好适应性，是研究包括木本在内的植物铵吸收同化分子机制的理想材料。本研究以杨树吸收同化铵的主要器官——根为材料，确定根部AMT、GS及GOGAT基因的表达模式并鉴定其功能；不同铵浓度、外源底物、酶抑制剂处理后，研究根部NH4+、Gln、Glu含量变化等对AMT、GS、GOGAT基因表达的调控机制及基因间协同表达调控机制；构建上述基因的过表达转基因植株及抑制剂处理，通过改变内源AMT、GS及GOGAT基因的表达量进一步验证上述机制；采用转录组学方法鉴定相关转录因子，研究其对AMT、GS及GOGAT基因的调控作用。整合上述内容揭示杨树根部铵氮吸收与同化过程中AMT、GS及GOGAT基因的协同表达调控机制

氮素是林木等植物生长发育过程中必需大量元素，是植物从土壤中吸收量最多的元素；氮素吸收与利用效率直接影响包括林木在内的植物生长与发育。植物对氮素吸收主要是通过转运蛋白完成。其中铵态氮是由氨转运蛋白（AMT）来完成。氮素同化则主要是通过谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶循环（GS-GOGAT循环）来实现。与农作物不同，多年生林木的栽植很少施肥，因此提高林木氮素利用率对于促进林木生长更具有意义。铵态氮同化与吸收是无机氮素利用的一个重要方面，因此，研究杨树AMT、GS和GOGAT功能及表达相互关系，是本研究关注重点。在AMT方面，对PtrAMT1;6进行了基因克隆、表达模式分析、酵母突变体功能恢复验证、PtrAMT1;6 启动子克隆及融合GUS转化拟南芥分析启动子功能、p35s::PtrAMT1;6 转化拟南芥验证功能；PtrAMT1;6过表达及抑制表达84k杨遗传转化；转基因植株DNA、转录和酶活水平鉴定；过表达和抑制表达植株生长表型、光合作用、氮吸收积累和同化、氮代谢相关基因的表达等进行了研究。在GOGAT方面，进行了GOGAT基因家族分析、系统进化树构建、基因结构与启动子元件分析、表达模式与光周期响应分析、氮素响应分析；克隆PnNADH-GOGAT2全长cDNA 基因、过表达和抑制84k杨树遗传转化以及DNA、转录以及酶活水平验证；进行了不同供氮水平下过表达NADH-GOGAT2 84K杨生理生化指标分析等相关研究。在GS相关研究上，进行了GS1;2克隆、过表达和抑制表84k杨树遗传转化及DNA、转录和酶活水平鉴定；转基因植株生长指标和生理指标的检测分析等。为探索根部氮代谢相关基因在铵为唯一氮源条件下的表达相互关系，在0.3和 3 mM 两个水平对杨树进行NH4Cl 处理，测定根部转录组，选择根部表达与氮代谢密切相关基因GS、GOGAT、AMT、GDH和AS基因家族成员，分析基因间表达相关系数，构建这些基因间共表达网络及相关转录因子共线性表达调控网络，筛选与根部氮代谢密切相关基因共表达的转录因子。上述研究对深入理解铵态氮条件下杨树对氮素吸收和同化的机制具有重要意义。也为进一步采用基因工程方式提高杨树的氮素利用率，提供了重要依据。