New Phytologist | 南京师范大学钟伯坚团队发文解析植物对无机氮素信号响应及同化调控网络的起源与演化

硝酸盐（NO3−）和铵盐（NH4+）是植物吸收利用的主要无机氮源。它们除了作为营养物质，也是一种信号分子，在打破种子休眠、诱导叶片生长、调控侧根发育和诱导相关基因表达等方面具有关键调控作用。植物中无机氮素的吸收、同化和信号转导都涉及了复杂的调控网络，其中nitrate-calcium-dependent protein kinase-NIN-like protein (nitrate-CPK-NLP) 是重要信号模块，能够整合环境硝酸盐的可用性并协调其初级硝酸盐响应。目前，参与无机氮素信号响应和同化的核心元件及作用机制在模式植物拟南芥和水稻、玉米等作物中已有深入的研究。然而，对于植物无机氮素信号响应和同化调控网络的起源和演化尚缺乏系统的研究。

2023年12月28日，南京师范大学生科院钟伯坚课题组在New Phytologist发表了题为Diversified molecular adaptations of inorganic nitrogen assimilation and signaling machineries in plants的研究论文。该研究利用大规模植物基因组数据，重建了植物无机氮素信号响应和同化调控网络核心组分的演化历史，揭示了海水、淡水及陆地等不同生境中无机氮素的可用性是植物进化的重要驱动力，促进了植物形态和遗传的多样性。

钟伯坚团队通过比较基因组学和系统发育分析发现植物无机氮素信号响应和同化系统核心元件的演化兼具保守性和创新性：（1）无机氮素转运和同化有关的核心元件在泛植物中广泛存在，表明无机氮素吸收、转运和同化机制在植物中呈现相对保守的演化模式；（2）植物在从水生到陆生的演化过程中，通过水平基因转移（horizontal gene transfers，HGTs）和基因复制等方式扩展和优化了其无机氮素吸收、转运和同化机制；（3）不同藻类分支中硝酸盐同化基因呈现基因成簇和转录共调控的现象，推测这是藻类高效、快速响应环境硝酸盐可用性变化的适应性策略；（4）绿色植物通过“结构域混编”（domain shuffling）和招募其他转录因子的方式逐步优化和完善了其硝酸盐调控网络，帮助植物在陆地化进程中适应不同的生态位和形态多样性。

图1泛植物不同类群中无机氮素同化和信号系统的演化模式

综上，该研究对植物无机氮素信号响应和同化调控网络的核心元件进行了系统鉴定与演化分析，同时联系植物多细胞化、根系及维管组织等关键创新性状的演化，发现无机氮素信号转导和同化的复杂网络为植物征服新栖息地提供了竞争优势，揭示了植物对水生和陆生环境中无机氮素可用性波动的适应性演化策略。该研究为理解植物无机氮素信号转导和同化机制的进化提供了全面视角，为优化作物氮肥施用及育种提供了理论基础。

南京师范大学生科院张振华副教授为论文第一作者，钟伯坚教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和江苏省生物学优势学科等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.19508

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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