南京土壤所在植物根部耐受銨毒的分子生理機制研究方面取得進展

氮素是植物生長的必要大量元素，銨態氮（NH^₄+）和硝態氮（NO₃^–）是植物吸收氮素的主要形態。在許多自然和農業生態系統中，NH₄⁺是主要的氮素形態。然而，隨著工業化和城市化進程的快速發展，人工費貴和勞動力匱乏的問題也日益尖銳，為節省勞動力或者新增肥效，農業生產中經常採用一些“近根施肥”、“集中施肥”、“膜覆蓋施肥”、“穴施”等增效措施和施肥管道；這些生產方式和農藝措施雖然符合農業實際生產需求，但也會造成短期內和施肥點的高NH₄⁺濃度，形成NH₄⁺毒脅迫環境，引發植物NH₄⁺中毒。現時，NH₄⁺毒脅迫已經成為現代農業生產和農林生態系統中不可忽視的問題。而不提高植物的NH₄⁺耐性，則無法從本質上提高植物的NH₄⁺利用率。囙此，除進一步改進生產方式以外，從植物自身入手，探索調控植物NH₄⁺耐性的重要基因，以增强植物自身對NH₄⁺的耐受性，是一個可選擇的重要途徑。囙此，很有必要瞭解高NH₄⁺脅迫影響植物生長的內在機理。

南京土壤所施衛明研究員課題組圍繞植物如何響應銨毒害的生理分子機制進行了長期且系統的研究。之前研究發現NH₄⁺主要通過影響擬南芥根系伸長區來抑制初生根生長，而這與NH₄⁺外流的升高有關，但尚不清楚其潜在的生理和分子變化過程。此外，轉錄調控是植物應對NH₄⁺毒性的最重要機制之一，但對於轉錄因數如何參與該調控的具體分子機制仍有待研究。

此次研究利用NH₄⁺處理和非處理的擬南芥根系為資料進行RNA-seq檢測和分析，結果發現多個WRKY轉錄因數家族的轉錄水准受到明顯誘導，其中，WRKY46對NH₄⁺響應最靈敏。pWRKY46:：GUS染色結果顯示，高NH₄⁺誘導根中，尤其是根尖部位WRKY46的上調。敲除及過表達株系錶型分析表明，WRKY46主要在根伸長區部位發揮功能，並正調控高NH₄⁺條件下的PR生長。

通過對不同遺傳資料（野生型、WRKY46突變體及過表達資料）根分生區和伸長區的NH₄⁺淨通量進行檢測，結果發現WRKY46負調控根伸長區NH₄⁺的外流。已知GDP-甘露糖焦磷酸化酶（NUDX9）通過調節蛋白N-糖基化而參與調控高NH₄⁺下的主根生長。通過ChIP-qPCR、Y1H、EMSA及LUC活性檢測發現，WRKY46直接與NUDX9啟動子結合並負調控該基因的轉錄。隨後對不同遺傳資料根NH₄⁺通量及糖基化水准的檢測表明NUDX9作用於WRKY46下游並參與WRKY46依賴的高NH₄⁺響應，但該過程還包含其他下游靶基因的參與。

已有研究顯示，高NH₄⁺下的主根生長抑制與生長素吲哚-3-乙酸（IAA）有關聯，且WRKY46參與調控滲透/鹽脅迫下根中IAA的含量（Diet al.，2021. Journal of Plant Physiology 261:153415；Ding et al.，2015. PlantJournal 84（1）：56-69）。通過pDR5:：GUS檢測發現，WRKY46表達差异所導致的NH₄⁺敏感性差异與游離IAA含量有關。進一步實驗結果顯示，WRKY46直接與IAA結合基因（GH3.1、GH3.6、UGT75D1、UGT84B2）的啟動子結合併抑制它們的轉錄，從而正調控游離IAA含量以抑制根伸長區NH₄⁺外流。此外，進一步通過IAA及生長素合成抑制劑L-犬尿素外源處理檢測發現，蛋白N-糖基化抑制的NH₄⁺外流部分依賴於游離IAA含量。

綜上所述，在高NH₄⁺條件下，NH₄⁺可誘導擬南芥中WRKY46轉錄因數的表達。隨後，WRKY46直接與GH3.1、GH3.6、UGT75D1和UGT84B2基因啟動子結合併抑制它們的表達，從而維持游離態IAA含量和初生根的生長。與此同時，WRKY46通過抑制NUDX9轉錄以穩定蛋白質N-糖基化水准，推測結合態IAA水解酶在N-糖基化後保持穩定，從而促進高NH₄⁺條件下的結合態IAA的水解，維持游離IAA水准。總之，WRKY46通過抑制游離IAA到結合態IAA的轉變和蛋白質N-糖基化來維持游離IAA穩態，是培育高NH₄⁺耐受作物品種的寶貴遺傳資源。

該研究成果發表在New Phytologist（IF2021=10.151）上，南京土壤所助理研究員狄東偉和副研究員李光傑分別為論文第一作者和通訊作者。研究得到了國家自然基金重點基金項目、青年基金項目、江蘇省傑出青年基金項目等資助。

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轉錄因數WRKY46調控根部銨毒耐性的分子生理機制

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