TaANR1-TaBG1和TaWabi5-TaNRT2s/NARs介导小麦根ABA代谢和硝酸盐吸收

名称：TaANR1-TaBG1 and TaWabi5-TaNRT2s/NARs link ABA metabolism and nitrate acquisition in wheat roots

期刊：Plant Physiology (IF=6.305)

第一作者：Meng Wang

通讯作者：施卫明（wmshi@issas.ac.cn）

第一单位：中国科学院南京土壤研究所

DOI:10.1104/pp.19.01482

硝酸盐信号途径和ABA信号途径的相互作用研究较少，前人研究表明，硝酸盐处理可以诱导拟南芥根尖中ABA-GE分解，促进ABA积累，且ABA可以促进N相关性状，上调NRT2/NAR2基因的表达。ABA和硝酸盐之间的分子调控联系尚不清楚。

1、  小麦NRT2 和NAR的全基因组鉴定、进化和时空表达分析

NRT2 和NAR在小麦基因组中包含3个同源基因，但TaNRT2.4在小麦A亚基因组中丢失。进化分析表明，TaNRT2.6 和OsNRT2.4的同源性最高，均含有一个内含子，但A\B\D三个亚基因组中的内含子长度由差异。

  利用前人的转录组数据进行时空表达分析发现，TaNRT2.1, TaNRT2.2, TaNRT2.3, TaNRT2.5, TaNAR2.1和TaNAR2.3 主要在根中表达，TaNRT2.6主要在叶中表达，TaNAR2.2主要在根，叶中表达，可能参与根和叶中的双组分吸收系统。TaNRT2.4表达较少几乎不能检测，TaNRT2.1表达在根中的表达量最高。

  无硝酸盐处理5d后，重新供应硝酸盐2mM（全硝酸盐）和0.2mM（低硝酸盐）1d发现，根中TaNRT2.1, TaNRT2.2, TaNRT2.3, TaNAR2.1, TaNAR2.2和TaNAR2.3受硝酸盐的再供应诱导，且2mM硝酸盐效果更显著。而TaNRT2.5受硝酸盐饥饿诱导，硝酸盐供应抑制，表明TaNRT2.5是硝酸盐基因诱导基因。

2、  ABA-GE分解促进小麦根ABA积累对硝酸盐诱导的NRT2/NARs的影响

对NRT2s和NARs 启动子的顺式作用元件分析表明，NRT2和NARs 启动子中存在ABA响应元件，暗示ABA信号调控NRT2和NARs。50uM ABA处理硝酸盐饥饿幼苗可以诱导NRT2s和NARs，但没有硝酸盐再供应时显著，表明ABA可以部分模仿硝酸盐信号。50uM ABA+0.2uM硝酸盐处理硝酸盐饥饿幼苗时NRT2和NARs的表达显著高于0.2uM硝酸盐处理硝酸盐饥饿幼苗时NRT2和NARs的表达，表明ABA可以在硝酸盐缺乏时放大硝酸盐信号。2mM硝酸盐处理硝酸盐饥饿幼苗时的ABA含量高于0.2uM硝酸盐处理硝酸盐饥饿幼苗的ABA含量，而加ABA抑制剂处理时和未用ABA抑制剂处理硝酸盐饥饿幼苗时ABA含量和ABA合成代谢基因（除了TaBG1和 TaBG2，ABA-GE分解相关）表达无显著差别，暗示硝酸盐可以诱导ABA积累，且与ABA重新合成无关。ABA重新供后，ABA-GE含量下降，拟南芥根中AtBG1受硝酸盐再供应诱导，且atbg1-1/2突变体中NRTs和NARs被抑制，表明硝酸盐信号诱导的ABA-GE分解促进ABA积累，且ABA可以促进硝酸盐吸收相关基因的表达。

3、  TaANR1调控硝酸盐诱导的ABA-GE分解和ABA积累

   利用TaBG1上有约500 bp的序列作为诱饵蛋白，Y1H筛选cDNA文库，MADS型转录因子TaANR1可以和TaBG1互作。EMSA和双荧光素酶实验表明，TaANR1可以结合到TaBG1启动子中的CArG 顺式作用元件(C(A/T)8G 或CC(A/T)6GG)。TaANR1-KO和TaANR1-RNAi株系中，硝酸盐诱导的TaBG1和TaNRT2.1表达量下降，硝酸盐诱导的ABA积累减少，而ABA处理后，TaBG1和TaNRT2.1表达量上升。表明TaANR1是硝酸盐信号转导促进ABA-GE 分解和ABA 积累的关键元件，且ABA是TaANR1介导的硝酸盐途径的下游组分。

4、  TaWabi5是NRT2/NARs受ABA介导的硝酸盐诱导的关键

NRT2/NARs的启动子中由大量ABREs基序存在，而ABFs能够识别调控ABREs，那么ABFs是否参与ABA介导的硝酸盐诱导？作者鉴定了小麦中的ABFs，但只有TaWabi5受硝酸盐诱导表达，且在根中高表达。Y1H，EMSA和双荧光素酶实验表明TaWabi5能够和NRT2/NARs上的ABREs基序结合，激活NRT2/NARs的转录。tawabi5敲除株系中NRT2/NARs受硝酸盐诱导被显著抑制，50uMABA处理后，抑制作用更明显。这谢谢结果表明TaWabi5参与ABA介导的NRT2/NARs硝酸盐诱导。

5、  ABA积累影响根硝酸盐内流

¹⁵N标记实验表明，TaANR1-KO、TaANR1-RNAi和TaWabi5-KO株系的硝酸盐内流率低于野生型，表明受ABA积累调控的NRT2/NARs影响硝酸盐吸收。外施ABA可以影响净硝酸盐内流（尤其是根尖成熟区），但不影响硝酸盐外流。

总结：

1、  TaNRT2.6、AtNRT2.7 和OsNRT2.4属于各物种家族中较独特的家族成员

2、  硝酸盐供应后的硝酸盐饥饿可以促进ABA-GE分解从而促进根尖ABA积累（TaANR1-TaBG1），而ABA积累反过来又可以促进根中NRT2s/NARs的表达，促进硝酸盐吸收（TaWabi5-NRT2s/NARs）。

3、  硝酸盐缺乏时，ABA-GE无显著变化，暗示该条件下ABA含量的减少和ABA-GE含量无直接关系。硝酸盐饥饿时ABA含量减少的分子机制需要进一步确认？

4、  ABA和硝酸盐共转运蛋白的功能需要进一步鉴定

5、  ABA信号和ABA积累在硝酸盐的吸收中发挥着重要作用。操纵ABA含量或ABA信号转导是否可以加快重要农作物NUE的提高？内源ABA含量是否可以作为NUE的指标？在肥料中添加产ABA的根际微生物或ABA类似物是否可以提高硝酸盐的吸收？