玉米ZmNLPs基因调控NO3-信号及代谢的功能鉴定

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氮素是植物生长发育过程中所必需的大量元素之一,大多数植物以吸收硝态氮(NO3-)为主。现代农业生产中施用大量氮肥以保证作物高产,但作物的氮肥利用率是有限的,大量未利用的氮素流失到环境中,造成了严重的环境污染。提高氮素利用率是解决上述问题的一个关键性因素。玉米是世界上最重要的作物之一,需氮量很高,但目前对于玉米中的NO3-调控基因及其作用机理的研究还十分缺乏,严重影响了玉米的高氮效品种选育和氮素利用率的提高。因此,亟待加强对玉米NO3-代谢机理的研究。  前期的研究发现,AtNLP7(NIN-like Protein7)是一个重要的NO3-调控基因,玉米中有9个AtNLP7的同源基因。本文选取了其中的两个基因(ZmNLP3和ZmNLP7)进行了深入研究。首先对这两个基因在玉米野生型B73中的表达模式进行了检测,但只有ZmNLP3受到低浓度NO3-的诱导。其后对这两个基因进行了克隆,并转化了拟南芥突变体nlp7-4。检测结果显示,转基因株系的荧光水平恢复至野生型水平,NO3-响应基因NIA1、NiR、NRT2.1、HHO1和HRS1在受到NO3-诱导后的表达也恢复到野生型水平,说明ZmNLP3和ZmNLP7能够调控NO3-信号。在生理 生化水平,我们检测了植株的NO3-含量、氨基酸含量以及硝酸还原酶(NR)活性,结果表明上述三项指标在转基因株系中的水平均能够恢复到野生型水平,说明ZmNLP3和ZmNLP7能够影响NO3-的同化。  利用GFP融合蛋白对ZmNLP3和ZmNLP7进行了亚细胞定位分析,烟草瞬时转化实验和拟南芥原生质体转化实验的结果均表明ZmNLP3和ZmNLP7主要定位在细胞核中。对野生型和转基因株系的生长表型进行对比分析后发现,ZmNLP3和ZmNLP7在高、低两种浓度NO3-条件下均能促进植株地上部的生长和根系发育,提高植株的单株产量。  本研究中分析了ZmNLP3和ZmNLP7的表达模式;分子与遗传学分析表明ZmNLP3和ZmNLP7在NO3-信号以及代谢发面发挥重要功能,能够影响NO3-的同化;ZmNLP3和ZmNLP7定位在细胞核中;ZmNLP3和ZmNLP7在低浓度NO3-及高浓度NO3-条件下均能提高植株的氮素利用效率,促进植物生长发育。对ZmNLP3和ZmNLP7的研究为解析玉米中NO3-信号调控网络奠定了基础,为玉米氮高效新品种的选育提供了可能。
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