人才强校 | 张福锁院士团队袁力行教授课题组揭示丛枝菌根介导植物氮素吸收途径的分子机制

中国农大新闻网讯 7月26日，《植物细胞》（The Plant Cell）在线发表中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队袁力行教授课题组题为《玉米铵转运蛋白ZmAMT3;1介导菌根氮素吸收途径》（The mycorrhiza-specific ammonium transporter ZmAMT3;1 mediates mycorrhiza-dependent nitrogen uptake in maize roots）的研究论文。

该研究从玉米中鉴定到一个AMF特异诱导表达的铵转运蛋白ZmAMT3;1，通过介导植物-菌根共生界面上铵态氮转运，将氮素从真菌运输到植物，对植物高效获取土壤氮素有重要贡献。该机制的发现为通过植物-微生物互作提高作物氮效率提供了新的思路。

近80%的陆生植物都能够与丛枝菌根真菌 (AMF) 形成互惠互利的菌根共生体。这种古老的共生关系在 4 亿年前植物征服陆地时就进化而来，比植物根系还更早出现。在AMF定植的根中，内生菌丝在皮层细胞形成丛枝，并被丛枝周膜所包围。许多植物转运蛋白特异性地定位在丛枝周膜上，介导营养元素从菌根向植物根中转运。对于菌根植物来说，除了根系直接吸收途径，还能够通过菌根途径来高效获取土壤养分。然而，菌根介导氮吸收途径的分子机制与生理贡献尚不清楚。

作者首先通过转录组在玉米中鉴定到一个菌根诱导的铵转运蛋白基因ZmAMT3;1，其编码蛋白特异性定位到植物-菌根共生界面的丛枝周膜上。ZmAMT3;1蛋白具有高亲和铵转运活性，跨膜转运中性氨分子(NH3)分子，介导了氮素从菌根向植物的转运。温室和大田试验证明ZmAMT3;1介导的菌根氮吸收途径对玉米氮营养有重要贡献。并且，菌根还可以下调根系直接吸收蛋白ZmAMT1s的丰度与活性，从而权衡调控两条途径对植物氮营养的贡献。

定位丛枝周膜的ZmAMT3;1蛋白介导氮素从菌根向植物的转运

本文阐明了高亲和铵转运蛋白ZmAMT3;1介导根系-菌根共生界面氮转运的分子机制，明确并定量解析了ZmAMT3;1介导菌根氮途径的重要生理贡献，揭示植物权衡与菌根氮途径的新颖机制。这些研究结果不仅阐明了植物依赖菌根介导的氮素吸收途径的分子机理和调控机制，也为农业生产中利用植物-微生物相互作用提高作物氮利用效率提供了新的途径。The Plant Cell以“In brief”的形式对该研究进行了重点推介。

菌根介导植物氮吸收途径的分子机制与调控

中国农业大学袁力行教授为通讯作者，博士生惠静为论文第一作者。德国霍恩海姆大学Waltraud Schulze、Uwe Ludewig 教授，澳大利亚西澳大学Hans Lambers教授，中国农业大学张福锁、冯固、陈范骏教授等参与了研究。相关工作得到了“十四五”国家重点研发计划（2021YFF1000500）、国家自然科学基金项目（31471934）和中德国际合作项目AMAIZE（328017493/GRK843 2366）的资助。

袁力行教授课题组长期致力于植物铵转运蛋白（AMT）的生物学功能与调控研究，近三年来取得了一系列进展。发现不同类型的非编码RNA能够共同作用AMT1;1基因的转录本稳定性（Zhang et al., 2020, Plant J）; 发现铵、硝信号能够驱动AMT蛋白C末端多位点磷酸化修饰，协同调控根系铵吸收能力（Wu et al., 2019，JXB）。课题组还发现AMT蛋白可以协同介导铵诱导的高亲和铵吸收与侧根发育，从而增强根系氮素获取能力（Wu et al., 2022, PCP; Hui et al., 2022, JIA）。这些认识对充分挖掘根系氮高效生物学潜力具有重要指导意义和科学价值。

原文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac225/6650110

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac221/6650101

供稿：资源与环境学院 惠静

供图：资源与环境学院 惠静

编辑：李杨

责编：于哲