氮肥投入约占肥料年施用总量的60％，是大多数非豆类作物种植中主要的生产投入。硝态氮是植物从土壤中获得的两种主要氮形态之一。在过去十年的研究中，关于植物如何从周围环境中获取硝态氮，以及如何将硝态氮有效地分配到不同的植物组织中以响应环境变化，如何感知和传播硝态氮信号等方面取得了重大进展。本文从氮的吸收转运 、氮信号的传递以及如何从分子水平提高氮利用效率这几个方面展开。相关介绍分为上下两部分，上篇介绍氮的吸收转运，下篇介绍氮的信号传递和分子水平上提高氮利用率的策略。
硝酸盐和铵盐是植物可以利用的两种主要的氮形式。在有氧条件下，根系吸收的硝态氮在细胞质中，经过硝酸还原酶转化为亚硝酸盐。亚硝酸盐在质体或叶绿体中由亚硝酸还原酶转化成铵盐。对植物而言，过量的亚硝酸盐和铵盐是有毒的，植物需要协调土壤中氮的供应量、自身氮的需求量、根据土壤碳氮比，调控氮的吸收。植物吸收的硝态氮可以储存在液泡，整合不同组织的氮供应和需求信息，调节氮代谢过程中酶的活性，并在转录水平、转录后水平调节代谢通路上各种组分的丰度，结合翻译后修饰调控代谢通路中各组分的活性。
为了了解植物是如何整合不同来源的信息并作出适应性变化，研究人员鉴定出了一系列氮吸收、转运、信号传递过程中的组分，整合这些组分并组成代谢、调控网络，便于大家深入了解氮的利用过程，为提高氮肥利用率提供新的策略。
第一部分，氮的吸收、运输和分配
植物细胞、组织和器官对硝态氮的吸收、转运和分配需要借助转运蛋白和离子通道完成，如转运蛋白NRT1、NRT2，离子通道CLC、SLAC等。很多教科书上都说，硝态氮从木质部运输，有机氮从韧皮部运输。但是对于韧皮部硝态氮转运蛋白的研究表明，韧皮部硝态氮的转运对氮的分配也至关重要。
这里详细介绍NPF（NITRATE TRANSPORTER 1 (NRT1)/PEPTIDE TRANSPORTER (PTR) family）转运蛋白的生理功能。
拟南芥和水稻中有大量的NPF基因，大部分NPF都是低亲和的硝酸盐转运蛋白，但AtNPF6.3（NRT1.1/CHL1）和 OsNPF6.5（OsNRT1.1B）表现出对硝态氮的双亲和性。拟南芥有53个NPF基因，水稻有93个，大部分NPF蛋白定位在细胞膜。这些NPF转运的底物不同，但是到底是什么决定了这些NPF转运蛋白的底物特异性仍然未知。
下表列举了一些拟南芥和水稻中的NPF蛋白，它们的底物、新旧名称、亚细胞定位、基因表达情况及功能。
1. 关于NRT1
1.1 硝态氮的吸收
植物从环境中以质子/硝酸盐耦合的方式吸收硝态氮。
1.1.1 拟南芥NPF6.3（NRT1.1）是高等植物中第以个被克隆的硝态氮转运蛋白，它一个双亲和性硝态氮转运蛋白。在突变体中，无论外界氮供应水平是高还是低，吸收的硝态氮都会减少。NPF6.3会根据环境的N水平调节对硝态氮的亲和性，NPF6.3的磷酸化决定这一过程。当环境中氮含量高，NPF6.3会形成二聚体，二聚体是较为刚性的结构，亲和力低转运速度慢；当环境中氮含量低，NPF6.3的Thr101发生磷酸化，二聚体解聚，成为比较柔性的结构，亲和力高转运速度快。
1.1.2 与NPF6.3不同，NPF4.6（NRT1.2）是一个组成型表达的单纯低亲和性转运蛋白，该蛋白也可转运ABA。
1.1.3 OsNPF6.5（OsNRT1.1B）与拟南芥NRT1.1同源，是双亲和的硝态氮转运蛋白。作用于硝态氮的吸收和地上地下硝态氮的转运。籼稻和粳稻中该基因一个单碱基变异导致氨基酸置换，Thr327Met使得籼粳稻对硝态氮的吸收转运存在差异，籼稻的氮肥利用率高于粳稻。
1.1.4 OsNPF2.4 是水稻的一个低亲和硝态氮转运蛋白，作用于硝态氮吸收和地上地下硝态氮的转运，还影响氮的再利用，同时间接影响钾的地上地下分配。
1.1.5 NPF8.9（OsNRT1）有两个不同剪接形式的转录本，NPF8.9b有六次跨膜结构，蛙卵异源表达系统确定其有0.25mM硝酸盐吸收活性，过表达NPF8.9a和NPF8.9b可以增加植株地上干重。
1.2 硝酸盐的地上地下运输
硝态氮被植物细胞吸收以后，有的被同化利用，有的储存在根部，有的会运往地上部。硝态氮的根茎运输能力因植物种类而异，并受环境条件的制约。
1.2.1 AtNPF7.3（NRT1.5）介导硝态氮的木质部装载。突变体中地上部硝态氮减少，地上/地下硝态氮比例降低，木质部汁液中的硝态氮含量也下降。
1.2.2 AtNPF7.2（NRT1.8）作用于硝态氮从木质部卸载及逆境耐受。该基因在韧皮部薄壁细胞表达，且其表达水平受到Cd镉的诱导，突变体表现出氮依赖的镉敏感表型。该基因通过增加根中氮的存留量提升逆境抵抗能力。AtNPF7.2和AtNPF7.3表现出Cd镉胁迫下的拮抗功能，二者作用相反，也体现出植物既要适应逆境又要协调生长，需要功能上相关的不同基因进行调控和平衡。
1.2.3 AtNPF2.3 作用于盐胁迫下的硝态氮转运，减少逆境引发的根部氮积累。该基因组成型表达，但是其功能在盐胁迫下比正常情况下更为重要。
1.2.4 AtNPF2.9 介导了硝态氮的韧皮部装载，负调控硝态氮的地上地下运输。突变体在高氮条件下，地上/地下硝态氮比值升高。
1.2.5 AtNPF5.11、AtNPF5.12和AtNPF5.16 定位在液泡膜，使储存在液泡的硝酸盐流出，以便将这些积累的硝态氮运输到地上部。当外界缺氮，过表达这些基因使根中积累的氮减少。
1.2.6 OsNPF2.2 作用于硝态氮的地上地下运输及液泡发育。在正常条件和缺氮条件下突变体表现出相反的氮分配表型，突变体中液泡的发育也受到影响。
1.3 硝酸盐的地上地下运输
运输到枝条后，植物将根据叶子的发育阶段、氮需求和硝酸盐的容量决定硝态氮是被储存还是被同化。协调不同组织之间的硝态氮分配是高等植物高效利用硝态氮的关键。
1.3.1 AtNPF6.2（NRT1.4） 介导了硝态氮在叶柄的储存。该基因在叶柄和叶片中脉高表达，突变体中叶柄的硝态氮减少，叶片更宽大。该基因使硝态氮储存在叶柄、叶脉，进而调控叶片硝态氮稳态，影响叶片发育。
1.3.2 AtNPF1.1（NRT1.12）和 AtNPF1.2（NRT1.11）将硝态氮分配到正在发育的组织。突变体中，完全展开的叶片氮积累量高，即使增加了土壤氮供应，突变体新生叶的硝酸盐仍然较少。该基因将硝态氮转入主脉韧皮部，使木质部流向韧皮部的氮被新叶再利用。
1.3.3 AtNPF2.13（NRT1.7）作用于缺氮条件下硝酸盐向新叶的运输。缺氮时，老叶的氮源流向新叶，在突变体中老叶表现出氮积累。缺氮时该基因的功能更为重要，相应的，降解AtNPF2.13 的E3泛素连接酶NLA 会在缺氮时受到miR827的抑制，使得AtNPF2.13可以在缺氮时将硝态氮转入新叶。
1.4 种子发育和氮贮藏
对种子的发育而言，氨基酸和肽链这些有机氮是非常重要的。当然，硝态氮也会在种子积累，调控种子休眠、发育等生物学过程。
1.4.1 AtNPF2.12（NRT1.6）将硝态氮转入发育中的胚。该基因表达于角果和珠柄区域的维管束，受粉后该基因的表达量升高。突变体中成熟种子的硝态氮含量减少，因为硝态氮对胚早期的发育十分重要，突变体中胚的败育和种子发育缺陷会增加。
1.4.2 AtNPF5.5 影响拟南芥胚的氮积累，在胚中可以检测到该基因的表达，突变体胚中氮含量下降。该基因的表达模式和亚细胞定位上不清楚。
1.5 气孔运动调控
气孔运动受到多个代谢/信号通路调控，以便干旱时减少不必要的水分散失，维持二氧化碳的摄入。硝酸盐可以作为渗透物质影响气孔开闭。
AtNPF6.3（NRT1.1）表达于保卫细胞，施加硝态氮的条件下，突变体气孔导度下降，蒸腾速率降低，对干旱胁迫的耐受能力增强。
1.6 NPF转运蛋白的其他功能
越来越多的证据表明，除了转运硝态氮以外，NPF转运蛋白还有很广泛的其他类型的底物。
1.6.1 多肽
所有的NPF同源基因在非植物的有机体中均展现出二肽转运活性。
拟南芥中AtNPF8.1（AtPTR1）、AtNPF8.2（AtPTR5） 和 AtNPF8.3（AtPTR2）在蛙卵和酵母异源表达体系中均展现出二肽而非硝态氮的转运活性。AtNPF8.1 和AtNPF8.2 定位在质膜，作用于根和花粉的二肽吸收。AtNPF8.3 定位在液泡膜，调控种子发育和开花。
AtNPF5.2（AtPTR3）的表达受到逆境的诱导，也作用于抵抗细菌侵染。该基因可以回补酵母二肽摄入突变体的表型，但是二肽转运和抵抗逆境及细菌病害之间的关系尚不清楚。
AtNPF8.4（AtPTR4）和AtNPF8.5（AtPTR6）定位在液泡膜，调控种子发育和开花，但它们没有二肽转运活性。
水稻的OsNPF7.3（OsPTR6）作用于短肽运输，调节总氮含量，还能调控生长。
1.6.2 氟化物
AtNPF2.4 和 AtNPF2.5 有向外转运氟化物的活性。AtNPF2.4 在根的中柱表达，作用于木质部装载和氟化物向地上转运。而 AtNPF2.5 在根的外皮表达，作用于向根外输出氟化物。在高盐的情况下，AtNPF2.4 的表达会下降， AtNPF2.5 的表达会升高，这两个基因共同作用使高盐条件下地上部氟化物减少。
1.6.3 钾
AtNPF7.3 突变体中地下向地上的钾运输减少，但是酵母中并没有发现该基因有钾转运活性。酵母表达该基因，展示出pH依赖的钾外运活性。因此学者推测它可能作为一个质子/钾的反向转运蛋白，影响钾的木质部装载。
1.6.4 植物激素
有些NPF 在表达受体和共受体的酵母体系中显示出 ABA / GA / JA-Ile 的转运活性，还有一些NPF 既能转运硝态氮，又能转运植物激素。
1.6.4.1 生长素
AtNPF6.3（NRT1.1）转运生长素的活性可以被硝酸盐抑制。缺乏硝态氮时，它可以转运生长素，在侧根根尖的积累，进而抑制侧根生长调整根系结构。硝态氮抑制AtNPF6.3 对生长素的运输，也可以是AtNPF6.3 的转录水平和蛋白水平下降。
1.6.4.2 ABA（脱落酸）
AtNPF4.6（NRT1.2/AIT1）、AtNPF4.5（AIT2）、AtNPF4.1（AIT3）和 AtNPF4.2（AIT4）在酵母体系中显示出ABA的转运活性。npf4.6 的拟南芥突变体植株表现出对ABA处理不敏感的发芽表型。
1.6.4.3 GA（赤霉素）
AtNPF3 不仅能影响硝酸盐和亚硝酸盐转运，调控叶片硝态氮积累，还能够影响根内皮的GA积累。蛙卵异源表达系统显示，该基因的硝酸盐转运不影响GA转运活性，但是AtNPF3 介导的GA刺激下胚轴伸长表型只在低硝态氮条件下才能表现。
1.6.5 硫代葡萄糖苷（芥酸）等次生代谢物
硫代葡萄糖苷（GLS）是富含氮、硫的次生代谢物，可以使十字花科植物免受食草动物啃食。5个NPF蛋白：NPF2.10（GTR1）、NPF2.11（GTR2）、 NPF2.9（NRT1.9）、NPF2.14 和 NPF2.13（NRT1.7）有芥酸的转运活性。NPF2.10 和 NPF2.11 还具有低亲和的硝态氮转运活性，但是硝态氮不影响其转运芥酸。蛙卵和酵母异源表达系统还显示NPF2.10 有GA和JA-Ile转运活性。
单萜类吲哚生物碱（MIAs）是具有抗癌活性的生物碱，如长春花碱。长春花的CrNPF2.9 表达于表皮细胞，从液泡向外转运输出MIA中间体。
2. 关于NRT2
通常NRT2 是高亲和的硝态氮转运蛋白，蛙卵异源表达系统也显示有些成员表现出对硝态氮的低亲和性。拟南芥中有7个NRT2 基因和2个NAR2 基因，水稻中只有4个NRT2 基因和2个NAR2 基因。除了AtNRT2.8 外，7个NRT2 可以与NRT2.1 在细胞膜发生蛋白互作。当与NAR2 在蛙卵异源表达系统共转时，AtNRT2.1、AtNRT2.2、AtNRT2.5、OsNRT2.1 和 OsNRT2.3a 的硝酸盐转运效率提升。但NAR2 对于AtNRT2.4 和 OsNRT2.3b 的底物转运并不是必须的。
2.1 有4个NRT2作用于硝酸盐吸收
AtNRT2.1 和 AtNRT2.2 是两个相关的高亲和硝酸盐转运蛋白。AtNRT2.4 和 AtNRT2.5 也是两个硝酸盐高亲和转运蛋白，但它们只有在缺氮时才表现出对硝态氮吸收的贡献。
AtNRT2.1 在主根的成熟区表达，AtNRT2.4 在初生根幼嫩部分和侧根远端表达，AtNRT2.5 在初生根和测根根毛表达，AtNRT2.4 和AtNRT2.5 也在韧皮部和地上部叶片主脉和侧脉表达。
2.2 AtNRT2.7调节种子硝态氮含量和休眠
AtNRT2.7 在种子中特异性表达，是唯一位于液泡膜中的NRT2转运蛋白，负责将硝酸盐加载到液泡中。突变体的种子硝酸盐含量降低了35-70％. NRT2.7在原花青素积累或氧化过程中也发挥功能，虽然原花青素的表型与非硝酸盐含量不相关，但是突变体的种皮是淡褐色。
2.3 AtNRT2.1、AtNRT2.5 和 AtNRT2.6 作用于植物与微生物的互作
NRT2.6 的功能缺失突变体没有硝酸盐相关的表型，但由于活性氧的产生减少，对致病性致病菌欧文氏菌（Erwinia amylovora）的攻击更敏感，硝态氮不影响这一过程。NRT25 和 NRT2.6 的突变消除了根际细菌Phyllobacterium brassicacearum STM196 对植物生长的促进作用。NRT2.1 突变体显示出对细菌病原体Pseudomonas syringae 的易感性降低，因为该突变体对细菌分泌的冠菌素不敏感。对于不同的NRT2转运蛋白和不同的微生物，其对应的机制是不同的。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：shane
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