氮素是植物生长发育所必需的营养元素之一。作为氮的主要形式,硝酸盐（NO₃^-）和铵盐（NH₄⁺）也可以作为信号调节植物的生长。小麦是人类主要粮食作物之一,其产量与氮素供应密切相关。植物根系是吸收养分,感知营养缺乏的重要器官。虽然已经有部分研究报道了小麦对低氮胁迫的响应,但小麦（Triticum aestivum L.）根系对低氮胁迫（特别是低NH₄⁺胁迫）应答的转录调控尚不十分了解,因此研究小麦根系在低氮胁迫下的响应机理十分重要。本研究以济麦22为实验材料,将小麦幼苗种植在含有5 mM NO₃^-,0.1 mM NO₃^-或0.1 mM NH₄⁺的1/2强度Hoagland溶液中,以探索根系对氮缺乏的生理与分子生物学响应机制。1、生物量、根系构型以及新生侧根原基数测定1)对处理后24 h、48 h和96 h的小麦地上部和地下部的生物量鲜重进行测定。结果表明,在低硝态氮（NO₃^--N）和低铵态氮（NH₄⁺-N）处理后24 h和96h,地上部和地下部鲜重与对照相比都无显著差异。处理后48 h,小麦地上部鲜重无显著差异,地下部鲜重显著升高。2)根系构型分析显示,在处理后48 h,低氮胁迫下根系的总长度、总表面积、根尖数目与对照相比显著增加,根系平均直径显著下降;说明在低氮胁迫下,小麦根系吸收面积增大,主要以侧根增多的形式体现。3)对低氮处理后48 h的小麦主根进行侧根原基染色。染色后发现,低氮处理下小麦根系初生根单位长度的侧根原基数与对照相比显著增多,进一步证明了小麦根系表面积的增大是由于小麦侧根数目的增多。2、相关生理指标测定1)本研究通过高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）技术测定了小麦根系在处理后6 h和48 h IAA,细胞分裂素（Cytokinin,CKs）,赤霉素（Gibberellin,GA₃）,茉莉酸（Jasmonic acid,JA）和水杨酸（Salicylic acid,SA）的含量变化。结果表明,在低氮处理后,IAA,CKs,GA₃和JA的含量与对照相比显著升高,SA的含量则显著下降。2)在处理后6 h和48 h测定氮同化相关酶的活性,包括硝酸还原酶（Nitrate reductase,NR）,亚硝酸还原酶（Nitrite reductase,NiR）,谷氨酸合酶（Glutamate synthase,GOGAT）和谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase,GS）。结果表明,在低NO₃^--N胁迫下,NR和GS的活性明显升高,在低NH₄⁺-N胁迫下,GS和GOGAT的活性明显升高。3)利用酶联免疫吸附法（Enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA）测定了处理6 h和48 h的质膜（PM）H⁺-ATPase的活性。结果发现,PM H⁺-ATPase的活性在处理后6 h无显著差异,在处理后48 h与对照相比显著升高。4)利用非损伤微测技术（Non-invasive Micro-test Technique,NMT）。测定根系表皮细胞IAA、H⁺、NO₃^-和NH₄⁺的净流量。测定后发现低氮处理后6 h,IAA内流增多;在处理后48 h,H⁺外排增加,NO₃^-和NH₄⁺内流减少。3、小麦幼苗根系转录组比较分析利用RNA-Seq技术,通过高通量的测序方法,在转录组水平上对低氮胁迫下小麦根系的响应机制进行了研究。共鉴定出8600个差异表达基因（Differentially expressed genes,DEG）,且处理48 h的DEG数目明显多于处理6h的DEG数目,低NH₄⁺-N处理下的DEG数明显多于低NO₃^--N处理。对8600个DEG进行KEGG富集发现,DEG主要分布于内质网蛋白加工（Protein processing in endoplasmic reticulum）,植物激素信号转导（Plant hormone signal transduction）,以及苯丙酸生物合成（Phenylpropanoid biosynthesis）等途径。编码IAA、JA、乙烯、脱落酸（Abscisic acid,ABA）合成的基因显著上调;参与激素信号转导和转录因子调控的DEGs表达水平发生显著的改变;硝酸盐转运体（Nitrate transporter,NRT）和铵盐转运体（Ammonium transporter,AMT）编码基因的表达水平显著上调。参与谷氨酸（Glutamate,Glu）代谢以及γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid,GABA）代谢的DEGs也显著上调。综上所述,在低氮胁迫下,小麦根系通过影响激素含量的变化、激素信号的传导和转录因子调控,促进小麦侧根数目增多,增大小麦根系吸收面积;同时促进Glu和GABA代谢,平衡碳代谢和氮代谢,促进蛋白质的合成,从而使小麦根系生物量在低氮处理后48 h显著增加。