菌根真菌是土壤中一類古老的有益真菌，能夠與地球上90%以上的陸地植物的根系形成“菌根”互惠共生體，促進(jìn)植物對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收利用，并提高植物抵御生物和非生物脅迫的能力。因此，研究菌根共生不僅可以揭示植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的演化機(jī)制，而且對(duì)于提高資源利用效率，減少化肥施用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
氮和磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需求最大的兩大必需營(yíng)養(yǎng)元素。之前菌根共生提高植物對(duì)土壤磷素的吸收利用及其作用機(jī)制較為明確，也有間接證據(jù)顯示菌根真菌可以從土壤中吸收銨態(tài)氮并傳遞給植物。然而，在絕大多數(shù)的旱地土壤中，硝態(tài)氮是最主要的無(wú)機(jī)氮素形態(tài)，因此，宿主植物如何從菌根真菌獲取氮素并促進(jìn)對(duì)土壤氮素的吸收利用一直不清楚。
近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院徐國(guó)華和陳愛(ài)群教授課題組在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊《PNAS》上發(fā)表了題為“Functional analysis of the OsNPF4.5 nitrate transporter reveals a conserved mycorrhizal pathway of nitrogen acquisition inplants”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)與低磷有利于菌根共生相反，提供適度的硝態(tài)氮能夠促進(jìn)旱作水稻菌根共生效率。
通過(guò)15NO3-標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，水稻通過(guò)菌根真菌（菌根途徑）吸收的氮占到總氮的40%以上。采用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，NPF4.5及其同源基因在水稻、玉米和高粱菌根中被強(qiáng)烈特異誘導(dǎo)表達(dá)。通過(guò)在異源體系功能驗(yàn)證和NPF4.5基因的敲除分析，明確了水稻OsNPF4.5是一個(gè)低親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，發(fā)現(xiàn)菌根途徑貢獻(xiàn)的氮大約有45%通過(guò)NPF4.5轉(zhuǎn)運(yùn)。增強(qiáng)NPF4.5表達(dá)豐度可以顯著促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和提高氮素吸收效率。
通過(guò)對(duì)菌根共生促進(jìn)氮吸收效率的科學(xué)評(píng)價(jià)和分子機(jī)制的解析（圖1），該論文首次揭示了至少在禾本科作物中存在高度保守、高效的菌根硝酸鹽吸收途徑。該研究成果為將來(lái)利用菌根共生系統(tǒng)提高植物氮素利用效率提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
該研究由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)分子遺傳課題組主導(dǎo)完成，美國(guó)德州理工大學(xué)合作參與了部分研究工作。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王雙雙博士生和陳愛(ài)群教授為共同第一作者，陳愛(ài)群教授、徐國(guó)華教授和LuisHerrera-Estrella教授為共同通訊作者。該工作主要得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0100700）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
圖1.硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NPF4.5參與菌根共生途徑硝酸鹽吸收
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