申林虎

摘    要：提高水稻氮素利用率、减少氮肥投入一直是水稻种植者不懈追求的目标，充分发挥氮高效基因的作用可以提高氮素利用率。文章综述了水稻氮素同化相关基因的研究进展，总结了氮高效利用植株的形态及未来展望。

关键词：水稻；氮同化；氮素利用率；株型

文章编号：1005-2690（2023）07-0024-03       中国图书分类号：S511       文献标志码：B

氮素是影响作物产量的主要因素之一，第一次绿色革命极大地提高了水稻的产量，但也伴随着氮肥大量投入。投入的氮肥只有一小部分被用于水稻生长发育，大部分流失到环境中，并对环境造成危害。因此，了解水稻同化的相关基因，充分发挥其在氮素利用率中的作用，对培育出氮高效水稻植株具有重要意义。

1 水稻氮素同化的相关基因

1.1 硝态氮同化的相关基因

硝酸还原酶（NR）和亚硝酸盐还原酶（NiR）在硝酸盐还原为氨的过程中发挥重要作用。其中，OsNR1.2编码了一个依赖NADH的硝酸盐还原酶，OsNR1.2能控制水稻对硝酸盐同化，敲除OsNR1.2的突变体植株具有抗氯酸鹽特征[1]。另外，其上游耐旱负调控转录基因DST在硝酸盐同化中也发挥了重要作用。DST是水稻中发现的一种锌指转录因子，在低浓度硝酸盐供应条件下，可以通过直接激活硝酸还原酶编码基因OsNR1.2的表达来调控水稻硝酸盐同化。其作用机理为：在干旱胁迫等环境压力下，水稻气孔关闭，导致叶片中细胞内CO2浓度降低，从而抑制碳同化，碳和氮代谢途径具有耦合效应，气孔关闭也会导致氮代谢的重新编程[2]。另外，低浓度硝酸盐供应条件下，耐旱水稻DST基因突变体分蘖数减少，产量下降，硝酸根还原酶活性降低，但植物体中硝酸根含量反而增加，表明DST是通过促进硝酸根的同化来提高水稻氮素利用率。

OsNR2编码一个依赖NAD（P）H-的硝酸还原酶，将硝酸盐还原为亚硝酸盐。其表达在水稻地上花、叶、根的维管组织和幼根伸长区中。籼稻与粳稻OsNR2等位基因的差异使籼稻比粳稻具有更高的氮同化效率，这主要是籼稻和粳稻OsNR2的NAD（P）结合域的差异。另外，OsNR2等位基因也有很大差异，与转空载体和过表达日本晴OsNR2基因的株系相比，过表达9311的OsNR2基因的转基因株系硝酸还原酶活性更高，对硝酸盐吸收能力也更强[3]。

OsNiR1编码亚硝酸还原酶，亚硝酸还原酶催化亚硝酸盐还原成铵，是硝酸盐同化中的关键酶。而OsNLP4都能与亚硝酸还原酶基因OsNiR1启动子区硝酸盐顺式作用元件NRE[4]结合并激活其表达，从而增强氮的吸收和同化。缺失OsNLP4的突变体分蘖数和株高显著降低，氮素吸收和同化的基因如OsNiR1、OsNRT2.1、OsNRT1.1B和OsAMT2.1的转录丰度也降低。过表达OsNLP4水稻植株产量提高30％[5]，亚硝酸盐还原酶活性显著增加。另外，NLP家族的OsNLP3基因在氮源充足条件下起重要作用。在正常硝酸盐供应条件下，OsNLP3突变体使OsNLP3基因的表达减少，进而影响游离硝酸盐含量，而OsNLP3过表达系游离硝酸盐含量较低，并且OsNLP3过表达植株NR活性增强，说明OsNLP3突变体的硝酸盐同化作用受到了损害[6]。

1.2 铵态氮同化的相关基因

1.2.1 GS家族基因

GS/GOGAT循环是无机氮融入有机氮化合物的第一步，是控制氮素同化的一个重要循环。在高等植物中，谷氨酰胺合成酶（GS）是将氨同化为谷氨酰胺（Gln）的关键酶，GS与谷氨酸合成酶（GOGAT）发生反应，生成两分子谷氨酸（Glu）。一个谷氨酸分子循环回到GS反应，另一个谷氨酸分子输出或用于生产其他氨基酸。这一循环是植物正常生长条件下NH4+初级同化的唯一途径。在水稻的生长发育过程中，需要3种同源但又明显不同的编码细胞质谷氨酰胺合成酶的基因，这3个基因分别是OsGS1;1、OsGS1;2、OsGS1;3。

OsGS1;1编码的胞质谷氨酰胺合成酶，对水稻正常生长以及灌浆十分重要[7]，在NH4+限制条件下积累于表皮原、表皮和外胚层。当铵盐作为水稻主要氮源时，OsGS1;1对整个代谢网络的协调发挥着关键作用[8]。过表达OsGS1;1中高活性转录本OsGS1;1b提高氮吸收和同化效率，使直链淀粉含量降低，提高稻米品质[9]。

OsGS1;2在水稻根系对铵态氮的吸收及初级同化中起重要作用[10]，敲除OsGS1;2会引起NH4+初级同化发生紊乱，并且影响穗数、产量和分蘖发育。OsGS1;2编码蛋白失活会极大地抑制韧皮部中NH4+的运输以及腋芽对酰胺和蔗糖的利用[11]。如果再将OsGS1;2 cDNA及其自身启动子重新导入敲除突变体中，则能使突变体的功能恢复正常[12]。

OsGS1;3基因主要在小穗中特异表达[13]，但其

mRNA相对丰度低于OsGS1;1和OsGS1;2在小穗中的表达。OsGS1;1和OsGS1;2的过表达都不能提高氮素利用率（NUE）和产量。其在根、茎和叶中氮的含量都较低，可能是其mRNA转录产物的累积影响了植株分蘖期和抽穗期的生长，使碳氮代谢失衡，导致水稻生长和产量下降。

1.2.2 GOGAT家族基因

GOGAT为GS1反应提供Glu，在水稻中已鉴定出3个分别编码铁氧化还原蛋白的基因：Fd-GOGAT、OsNADH-GOGAT1和OsNADH-GOGAT2。

OsNADH-GOGAT1主要在水稻根尖、发育中的叶片以及籽粒中表达，在水稻根系对氮素吸收和NH4+的初级同化中起着十分重要的作用，在缺乏OsNADH-GOGAT1的水稻突变体中，有效分蘖数量显著少于正常植株[14]。

OsNADH-GOGAT2主要在成熟叶片和叶鞘中表达，并且对水稻叶片自然衰老过程中氮元素再利用起重要作用。敲除OsNADH-GOGAT2基因会导致每穗小穗数显著减少，产量和生物量都降低，突变体衰老叶片中总氮量约为野生型植株的1/2。

Fd-GOGAT主要在叶片、根、穗的叶绿体中表达。Fd-GOGAT缺失突变体株高和分蘖数目显著降低，突变体叶片表现出淡绿色表型，并伴随着叶绿素水平降低和光合速率降低，抽穗期延迟，穗变短和分枝减少，每穗粒数降低，千粒重降低[15]。

2 高氮利用水稻株型

徐富贤等（2011）[16]认为，倒3叶长而窄、分蘖力强、结实率和生物产量高是水稻氮素利用率高的关键株型。Jia C等（2020）[17]认为，氮素利用率和叶绿素含量及光合速率有关，氮素利用率越高，其叶绿素含量越高，光合速率越快。另外，氮素利用率高的水稻幼苗根更长，可以更好地提高水稻根系对氮素的吸收效率[18]。在玉米、小麦等其他谷类作物中也证明，根系长度和直径大小对于氮的获取非常重要，并且根系面积与氮获取量呈正相关。在栽培管理方面，通过适当增加插秧密度和减少施氮量，少量多次施用缓释氮肥，可以提高水稻产量和氮素利用效率，营养管理与干湿交替灌溉等栽培手段也已经成为提高水稻NUE和产量的重要手段[19]。

3 結束语

充分了解氮素利用率相关基因，有助于实现低投入、高收获的目标。随着测序技术的发展，已完成水稻全基因组的测序工作，各功能基因的鉴定工作正在进行，基因编辑技术的出现给育种工作打开了一扇大门，让更多优良基因得到充分利用。

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