狗尾草生物量增大突變體的轉錄組分析及氮素代謝相關基因挖掘

摘""要：生物量大小是植物進化適應和產量的關鍵因素，獲得高產作物品種一直是作物育種的基本要求。本研究在對狗尾草ME34的組織培養過程中，發現1株生物量變大的突變體植株Mu，其性狀可以穩定遺傳給下一代。通過對狗尾草表型觀察和幼苗、成苗的農藝性狀統計分析，發現狗尾草突變體幼苗的生物量（鮮重和干重）及成苗的株高均顯著高于狗尾草野生型植株，狗尾草突變體成苗的穗長和種子長度也顯著長于狗尾草野生型植株，且均達極顯著水平。同時，對ME34和Mu的葉和莖進行轉錄組測序，并對部分基因進行熒光定量PCR驗證。差異表達基因分析發現，氮素代謝和調控相關的差異表達基因占差異基因總數的20%左右。GO功能和KEGG富集分析同樣發現，生物量大小與氮素的代謝、調控有著密切的關系。利用DEGseq方法分析差異基因的變化，獲得了參與氮素吸收、運輸、同化和再利用的相關基因，如硝酸鹽轉運蛋白NRT、銨轉運蛋白AMT、硝酸還原酶NR、亞硝酸還原酶NiR、谷氨酸合成酶GOGAT、NLP家族轉錄因子以及絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶等。本研究為谷子等作物的育種工作提供重要分子依據和基礎。

關鍵詞：狗尾草；生物量；轉錄組測序；氮素利用效率中圖分類號：Q319""""""文獻標志碼：A

Transcriptome"Analysis"and"Nitrogen"Metabolism"Related"Gene"Mining"of"a"Setaria"viridis"Mutant"with"Increased"Biomass

ZHANG"Lili1，2，"ZHAO"Haixu1，2，"HU"Shuai1，2，"HUO"Shanshan1，2，"XIA"Qiyu1，2，"GUO"Anping1，2，"ZHAO"Hui1，2*

1."Sanya"Research"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences"/"Hainan"Key"Laboratory"for"Biosafety"Monitoring"and"Molecular"Breeding"in"Off-season"Reproduction"Regions，"Sanya，"Hainan"572024，"China;"2."Institute"of"Tropical"Bioscience"and"Biotechnology，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China

Abstract："Biomass"is"a"key"factor"in"plant"evolutionary"adaptation"and"yield，"and"obtaining"high-yield"crop"varieties"is"always"a"basic"requirement"for"crop"breeding."In"this"study，"a"mutant"Mu"with"increased"biomass"was"discovered"during"the"tissue"culture"of"Setaria"viridis"ME34，"and"the"trait"can"be"stably"inherited"to"the"next"generation."Through"the"observation"of"the"phenotype"of"S."viridis"and"statistical"analysis"of"the"agronomic"traits"of"seedlings"and"adults，"it"was"found"that"the"biomass"（fresh"and"dry"weight）"of"the"mutant"seedlings"and"the"adult"plant"height"of"S."viridis"mutant"was"significantly"higher"than"that"of"the"wild-type"plants，"and"the"spike"length"and"seed"length"were"also"significantly"longer"than"those"of"the"S."viridis"wild-type"plants，"reaching"a"highly"significant"level."Transcriptome"sequencing"was"performed"on"the"leaves"and"stems"of"ME34"and"Mu，"and"some"genes"were"validated"by"RT-PCR."Differential"expression"gene"analysis"revealed"that"the"genes"related"to"nitrogen"metabolism"and"regulation"accounted"for"about"20%"of"the"total"differential"genes."GO"functional"and"KEGG"enrichment"analysis"also"revealed"a"close"relationship"between"biomass"and"nitrogen"metabolism"and"regulation."The"DEGseq"method"was"used"to"analyze"the"changes"in"the"differentially"expressed"genes，"and"some"related"genes"involved"in"nitrogen"absorption，"transport，"assimilation，"and"reuse"were"obtained，"such"as"nitrate"transporter"NRT，"ammonium"transporter"AMT，"nitrate"reductase"NR，"nitrite"reductase"NiR，"glutamate"synthase"GOGAT，"NLP"family"transcription"factors，"and"serine"threonine"protein"kinase."Through"the"above"research，"important"molecular"basis"and"foundation"are"provided"for"the"breeding"work"of"crops"such"as"foxtail"millet.

Keywords："Setaria"viridis;"biomass;"transcriptome"sequencing;"nitrogen"utilization"efficiency

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2025.04.008

狗尾草（Setaria"viridis）屬單子葉植物綱禾本科黍亞科，是重要糧食作物谷子（S."italica）的野生近緣種。谷子是單子葉植物禾本科狗尾草屬植物，二者核型基本相同，帶型相近，基因組序列幾乎一致[1]，因此狗尾草也是研究谷子基因的重要模型。與谷子相比，狗尾草具有生長周期短（1.5～2個月）、植株矮小、易于種植（尤其是室內培養箱大量種植）、能產生大量自交系種子等優點。因此，研究狗尾草對C4植物如谷子、玉米、高粱、甘蔗等，尤其是對同屬的谷子具有重要的借鑒作用，為快速挖掘谷子優良基因奠定基礎。

氮素是植物生長和發育的重要營養元素，是限制作物產量和品質的關鍵因素[2]。隨著全球人口對糧食日益增長的需求，氮肥在農業生產中的投入也在逐年增加，然而，投入的氮肥只有不到一半被作物吸收，剩余的則以一氧化二氮的形式排放到大氣中或以硝酸鹽的形式排到地下，造成一系列嚴重的環境問題，因此，提高農作物自身的氮素利用效率（nitrogen"use"efficiency，"NUE）顯得更為重要[3]。提高NUE可有效提高作物產量、減少氮肥需求、減輕環境污染、實現糧食安全和確保農業可持續發展。

本課題組在對狗尾草ME34組織培養過程中發現了1株生物量變大的突變體Mu，其株高、穗長及籽粒大小均顯著增加，并且該性狀能夠穩定遺傳。生物量對于植物的生長發育和最終產量都具有重要影響。通常植物的生物量越大，意味著其進行光合作用的能力越強，生長更為旺盛，能量轉化效率也相應提高，從而有可能獲得更高的產量。因此，在農作物生產過程中，農民經常關注農作物的生物量，通過采取合理的栽培管理措施來增加農作物的生物量，以期達到提高產量的目的。其中，籽粒大小是植物進化適應和種子產量的關鍵因素[4-7]，大種子的幼苗被認為在脅迫條件下具有更強的生存能力，而小種子的植物物種則被認為具有更好的繁殖后代的能力[8]。本研究利用轉錄組測序，對狗尾草野生型ME34和狗尾草生物量變大的突變體材料Mu的葉和莖分別進行轉錄組測序，分析突變體材料與野生型材料相比所引起的基因變化，挖掘與植物生物量大小相關的基因資源，尤其是與氮素代謝和調控相關的差異基因，從而為下一步谷子的育種工作提供一定的分子線索和基礎。

1""材料與方法

1.1""材料

1.1.1""植物材料""以狗尾草野生型ME34品系（本實驗室保存）和狗尾草野生型ME34的突變體Mu（中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所提供）為植物材料，篩選與狗尾草生物量變大的性狀相關基因。

1.1.2""試劑耗材""使用Agilent"2100"Bioanalyzer（Agilent"RNA"6000"Nano"Kit）檢測total"RNA的濃度、RIN值、28S/18S和片段大小；使用紫外分光光度計NanoDropTM檢測植物樣本的純度；轉錄組測序儀器采用DNBSEQ-T7。

1.2""方法

1.2.1""狗尾草的培養""選取經休眠處理的狗尾草ME34和突變體Mu，干燥其成熟種子，用無菌水清洗多次后播種于放有3層濾紙并用無菌水完全浸濕的培養皿中，每皿培養基約放置20粒種子，于24"℃光/暗培養（12"000"lx，16"h/8"h，50%～60%濕度），7"d后分別對狗尾草ME34和Mu的葉和莖凍樣0.5"g，以供提取RNA。同時，對在培養皿里生長7"d的ME34和Mu幼苗（完整植株）直接稱量，測量鮮質量，然后將狗尾草幼苗置于60"℃烘箱，24"h后稱量干質量。

將生長7"d的幼苗轉移至盆中，于30"℃光培養/22"℃暗培養（12"000"lx，16"h/8"h，50%～60%濕度）45"d后，測量成苗的株高和穗長，60"d后測量收獲的種子長度。

1.2.2""文庫構建及轉錄組分析""狗尾草ME34、Mu葉和莖的RNA提取，轉錄組的文庫構建及基礎的生物信息學分析均由深圳華大基因股份有限公司完成。本項目使用DNBSEQ平臺完成轉錄組的測序。轉錄組差異基因的篩選標準為Fold"Change≥2和Qlt;0.001。

1.2.3""轉錄組及農藝性狀數據統計分析""分別取30株ME34和Mu植株幼苗進行總生物量統計（鮮質量和干質量）。對ME34和Mu的成苗進行株高、穗長和種子長度測量，采用Excel"2016軟件進行數據分析。利用DPS數據處理系統對試驗數據進行統計、差異顯著性檢驗和相關性分析。

1.2.4""轉錄組熒光定量驗證""將轉錄組測序時提取的狗尾草ME34、Mu的葉和莖的總RNA通過反轉錄試劑盒合成cDNA。以反轉錄產物為模板，以狗尾草ME34看家基因actin（登錄號：Sevir.9"G114100，）為內參，對轉錄組部分基因進行熒光定量PCR。熒光定量PCR程序為：95"℃預變性3"min；95"℃變性15"s，60"℃退火30"s，72"℃延伸35"s，共40個循環。引物序列為Actin-F：

CTTCCAGCCATCTTTCATT；Actin-R：CCAGA"CTCGTCGTACTCAG。

2""結果與分析

2.1""表型觀察及農藝性狀的統計分析

通過對狗尾草野生型ME34和突變體Mu成苗的表型觀察及農藝性狀進行統計分析發現，相較于野生型，狗尾草突變體Mu的株高更高，生物量更大，突變體株高增加了21.36%，并且達到極顯著差異（P=0.003lt;0.01）；相較于野生型，狗尾草突變體的穗長更長，增加了41.79%，并且達到極顯著差異（P=0lt;0.01）；突變體M0代植株的種子與野生型相比更大更長，突變體籽粒長度增加了36.50%，并且達到極顯著差異（P=0.0007lt;"0.01）；突變體M1代植株的種子與野生型相比延續了上一代的性狀，種子依然更大更長（圖1，圖2）。

對生長7"d的狗尾草野生型ME34和突變體Mu（共30株）的生物量進行統計分析發現，相較于野生型，突變體鮮重增加51.53%，并且達到極顯著差異（P=0.0001lt;0.01）；突變體干重增加57.00%，并且達到極顯著差異（P=0lt;0.01）（圖2）。

2.2""狗尾草樣本轉錄組測序數據質量分析

本研究共檢測了12個樣品，樣品比對基因組的平均比對率為93.37%，比對基因集的平均比對率為83.80%（表1）。預測的新基因為923個，共檢測到表達的基因數為26"041，其中已知的基因為25"131個，預測的新基因為910個。測序的原始數據經過過濾及測序質量控制，12個樣本中的Q20（表示堿基識別錯誤的概率為1%）所占比例均大于97%，Q30（表示堿基識別錯誤的概率為0.1%）所占比例均大于92%，以上結果表明測序數據質量可靠，可用于后續分析。

2.3""轉錄組基因差異表達分析

在狗尾草野生型ME34和狗尾草突變體Mu的葉轉錄組差異分析中，共發現3167個差異基因，其中上調基因1893個，下調基因1274個；在狗尾草野生型ME34和狗尾草突變體Mu莖的轉錄組差異分析中，共發現4667個差異基因，其中上調基因2157個，下調基因2510個（圖3）。在狗尾草野生型ME34和狗尾草突變體Mu的葉和莖的交叉轉錄組差異分析中發現1737個共同差異表達的基因。

2.4""轉錄組差異表達基因GO（gene"gntology）功能富集分析

GO富集分析通常依據細胞組分、分子功能和生物過程這3個方向進行分類，圖4為狗尾草野生型葉片和突變體葉片（ME34-leaf"vs"Mu-leaf）轉錄組差異基因的GO功能富集分析的前十名。在細胞組成的分類中，差異基因主要集中在膜的固有成分、膜的組成部分等部位；在分子功能分類中，差異基因主要集中在ADP結合、腺苷核糖核苷酸結合等功能；在生物過程分類中，差異基因主要集中在吲哚烷基胺生物合成過程、色氨酸生物合成過程、β-葡聚糖生物合成過程、植物型原代細胞壁生物合成以及纖維素生物合成過程等生物過程。在狗尾草野生型莖和突變體莖（ME34-stem"vs"Mu-stem）的轉錄組差異基因的GO功能富集分析如圖5所示，在細胞組成分類中，差異基因主要集中在非膜結合細胞器、細胞內非膜結合細胞器等部位；在分子功能分類中，差異基因主要集中在ADP結合、腺苷核糖核苷酸結合等功能；在生物過程分類中，差異基因主要集中在防御反應、對壓力的反應等生物過程。

2.5""轉錄組差異表達基因KEGG（kyoto"encyclopedia"of"genes"and"genomes）通路分析

通過KEGG富集分析發現，在ME34-leaf"vs"Mu-leaf差異表達基因顯著富集的前20個通路中，包含參與細胞過程、環境信息過程、遺傳信息過

程和新陳代謝過程，如ABC轉運蛋白和植物激素信號轉導，黃曲霉毒素生物合成，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成以及油菜素內酯生物合成等（圖6）。在ME34-stem"vs"Mu-stem差異表達基因顯著富集的前20個通路中，包括ABC轉運蛋白，磷脂酰肌醇信號系統，植物激素信號轉導，MAPK信號通路——植物、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成，肌醇磷酸鹽代謝，煙酸和煙酰胺代謝，不飽和脂肪酸的生物合成及β-丙氨酸代謝等（圖7）。

2.6""與氮素代謝和調控相關差異表達基因的統計、熱圖分析及熒光定量RCR驗證

與氮素代謝和調控相關差異表達基因的統計結果顯示，ME34-leaf"vs"Mu-leaf"轉錄組中共發現18個與氮素代謝和調控相關的GO分類，去除重復的基因后，共富集到621個差異基因，占葉片轉錄組中差異基因總數的19.61%，其中上調基因396個，下調基因225個（表2）。ME34-stem"vs"Mu-stem轉錄組中共發現21個與氮素代謝和調控相關的GO分類，去除重復的基因后，共富集到1048個差異基因，占莖轉錄組中差異基因總數的22.46%，其中上調基因430個，下調基因618個。葉片和莖的轉錄組中與氮素代謝和調控相關的共同差異表達基因331個，占2個轉錄組中共同差異表達基因總數的19.06%（表3）。

分析得到的與氮素代謝、調控最為直接相關的差異基因制成熱圖（圖8）。ME34-leaf"vs"Mu-leaf"轉錄組中共篩選到28個差異基因，其中上調基因24個，下調基因4個。ME34-stem"vs"Mu-stem轉錄組中共篩選到32個差異基因，其中上調基因16個，下調基因16個。在2個組織中共篩選出10個與氮素代謝、調控共同直接相關的差異基因，其中上調基因7個，下調基因3個（表4），且這10個基因在2個組織中表達模式相似。

從上述制成熱圖的2個轉錄組基因中各選6個基因進行熒光定量PCR驗證（圖9），以檢驗轉錄組數據的可靠性。對比圖8和圖9中的基因表達情況可知，基因的表達趨勢一致。說明轉錄組數據真實可靠。

3""討論

本課題組在狗尾草野生型ME34的組織培養中發現了1株株高、穗長和種子長度均顯著高于野生型的突變體Mu材料，生長1周的突變體狗尾草的生物量顯著高于野生型狗尾草。為了挖掘

和生物量變大性狀相關的目標基因，分別對野生型狗尾草ME34和突變體狗尾草Mu葉和莖的轉錄組進行分析，發現無論是葉片的轉錄組還是莖的轉錄組，與氮素代謝、調控相關的差異表達基因占總的差異基因總數的20%左右，推測與氮素的代謝、調控相關基因對狗尾草生物量的大小至關重要。

通過轉錄組學的葉片GO功能富集分析中的生物過程分類發現，有一半以上的生物過程，如吲哚烷基胺生物合成過程、色氨酸生物合成過程、β-葡聚糖生物合成過程、植物型原代細胞壁生物合成以及纖維素生物合成過程都直接或者間接與氮素的代謝有密切關系。葉片和莖的KEGG富集分析中，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成，煙酸和煙酰胺代謝，黃曲霉毒素生物合成，油菜素內酯生物合成以及β-丙氨酸代謝等新陳代謝過程均與氮素的代謝有著密不可分的關系。通過轉錄組中與氮素代謝、調控相關的GO分類及基因注釋，結合GO功能富集和KEGG通路分析，得到與氮素代謝、調控最為直接相關的差異基因。

NUE是一個涉及遺傳和環境因素的復雜性狀，且主要受到氮素吸收、運輸、同化和再利用效率這幾個因素的影響[9]。植物對氮素的吸收轉運根據土壤中氮源的不同，主要分為以下3種形式：酰胺態氮、硝態氮和銨態氮的吸收轉運。硝酸鹽的吸收和同化已成為影響作物氮利用率的重要因素[10]。通過分析轉錄組的差異基因發現，在葉片轉錄組中，硝酸鹽轉運蛋白（nitrate"transporter，"NRT）基因，比如LOC117860105、LOC117860115、LOC117866632、LOC117842703、LOC117846891、LOC117845475、LOC117857667和LOC117866639全部上調表達。在莖轉錄組中，硝酸鹽轉運蛋白基因，如LOC117860105、LOC117860115和LOC117846891上調表達，LOC117836569、LOC117866281、LOC117852271、和LOC117866651下調表達。硝態氮是植物從土壤中吸收和利用氮源的主要形式，其吸收和轉運主要由NPF（nitrate"transport"l/peptide"transport"family）基因家族成員完成。谷子SiNPF4.12基因協同調控了谷子氮素吸收利用和根系與籽粒的生長發育，有塑應用于作物氮高效高產育種[11]。近年來，硝酸鹽轉運蛋白基因作為一個重要的家族已被用于作物育種，以提高氮素利用率[12-18]，OsNRT1.1A（OsNPF6.3）是硝酸鹽轉運蛋白家族的成員，參與調節氮的利用和開花，為同時實現高產和早熟提供了目標，OsNRT.1A不僅可以上調硝酸鹽和銨等氮利用相關基因的表達，還可以調控開花相關基因。與野生型相比，osnrt1.1a突變體表現出氮利用率降低和開花延遲，相比之下，osnrt1.1a在水稻中的過表達大大提高了氮利用效率（nitrogen"use"efficiency，"NUE）和糧食產量，成熟時間也顯著縮短[19]。在玉米中對氮供應響應最強的基因是ZmNRT2.1和ZmNRT2.2，氮饑餓處理后，其在根部的表達增加了10倍以上。然而，在恢復氮供應24"h后，其表達恢復到對照水平[20]。高粱的水培試驗表明[21]，在氮饑餓條件下，NRT2.2、NRT2.3、NRT3.1、NRT4.3、NRT4.4和NRT6.3在氮耐受和氮敏感基因型中的表達均上調。并且，與氮敏感基因型相比，氮耐受基因型中硝酸鹽轉運蛋白基因NRT2.4、NRT3.1和NRT4.5的轉錄本更豐富。由此推測這3個硝酸鹽轉運蛋白基因的過表達可能會提高氮敏感基因型對氮饑餓的耐受性，從而提高高粱氮素利用效率。在番茄中，LeNRT2.3介導低濃度硝酸鹽的轉運，LeNRT2.3的過表達可以增加番茄根系對NO3?的吸收以及NO3?從根到莖的運輸，從而增加生物量和果實重量[22]。TANG等[23]通過全基因組關聯分析，鑒定出硝酸鹽轉運蛋白OsNPF6.1HapB的優勢單倍型，氮轉運蛋白OsNPF6.1HapB由轉錄因子OsNAC42反式調節，通過激活水稻對硝酸鹽的吸收來提高NUE。

銨態氮在土壤中主要以NH4+的形式存在，銨轉運蛋白（AMT）在銨（NH4+）的吸收和轉運中起著至關重要的作用[24]。在葉片轉錄組中，銨轉運蛋白（ammonium"transporter，"AMT），如LOC117846954、LOC117840316和LOC117862543全部上調表達。銨可以被銨轉運蛋白（AMT）吸收[25-27]，OsAMT1;1在低和高NH4+條件下會顯著促進對NH4+的吸收，在次優和最佳氮條件下提高了種子產量[28-29]。木薯MeAMT1基因轉化擬南芥后在缺銨反應中比野生型植物生長更好，表明MeAMT1在低銨反應中起著重要作用，該研究為在其他植物中高效利用氮提供了基礎[30]。木薯MeAMT2（MeAMT2.3、MeAMT2.5和MeATM2.6）在缺銨條件下表達上調。互補實驗表明，用MeAMT2.3、MeAMT2.5或MeATM2.6轉化的酵母突變株TM31019b在缺銨條件下比未轉化的酵母細胞生長更好，這表明MeAMT2.3、MeAMT2.5和MeATM2.2可能是木薯缺銨反應的主要因素，該研究為進一步研究木薯氮素高效利用提供了依據[31]。甘蔗ScAMT1.1與水稻AMT1.1具有91.57%的同源性，甘蔗ScAMT1.1在水稻中穩定過表達后，在低氮處理下，ScAMT1.1過表達轉基因水稻的株高和鮮重分別比野生型高36.48%和51.55%。轉基因植物中銨同化關鍵酶GS和GDH的活性以及銨同化關鍵基因（包括GS1.1、GS1.2、GDH、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT2）的表達水平均顯著高于野生型。在盆栽試驗中，轉基因水稻的粒數和單株產量分別比野生型高6.44%和9.52%。甘蔗ScAMT1.1在低氮肥條件下具有提高銨同化能力和轉基因水稻產量的潛力，該研究為改良氮利用率高的甘蔗品種提供了重要的功能基因[32]。增強銨的吸收和再活化將為未來提高作物氮利用率提供一種有前景的策略。

氮素在進行同化時，硝酸根離子在胞質中通過硝酸還原酶（nitrate"reductase，"NR）還原成亞硝酸根離子，然后再通過亞硝酸還原酶（nitrite"reductase，"NiR）還原成銨根離子，最后經過GS/GOGAT（谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶，glutamine"synthetase"/"glutamate"synthase）循環合成谷氨酸后被植物生長所利用。在葉片轉錄組中，NADPH依賴性硝酸還原酶（NR）LOC117860413下調表達。在莖轉錄組中亞硝酸還原酶LOC117866314上調表達，在葉片轉錄組中，還有參與氮素同化過程的基因LOC117847605和LOC117847606全部上調表達。在莖轉錄組中，谷氨酸合成酶基因LOC117857834和LOC117848374下調表達。秈稻和粳稻亞種在硝酸鹽同化能力和NUE方面存在差異，GAO等[33]發現這種差異的主要成分是由編碼NADH/NADPH依賴性硝酸還原酶（NR）的基因OsNR2的等位基因變異引起的，秈稻OsNR2表現出更大的NR活性，秈稻OsNR2還可以通過與編碼硝酸鹽轉運蛋白的基因OsNRT1.1B相互作用促進硝酸鹽的攝取，這些特性使秈稻OsNR2能夠提高有效分蘗數、籽粒產量和NUE。在秈稻品種中，過表達OsNADH-GOGAT基因可使籽粒重量增加[34]。OsNADH-GOGAT2的突變會導致了水稻小穗數和生產力的顯著降低，證明了OsNADH-GOGAT2在葉片向種子再動員中的協調作用[35]。在莖的轉錄組中發現2個NLP（NIN-LIKE"PROTEIN）家族轉錄因子LOC117836353和LOC117844922，全部下調表達。YU等[36]通過GWAS的方法在水稻中鑒定了一種與NUE相關的NLP4蛋白，發現OsNLP4可以反式高度激活編碼亞硝酸還原酶的關鍵氮同化基因OsNiR，OsNLP4-OsNiR通過增強氮同化和NUE，來最終增加水稻的有效分蘗數和產量。

氮再活化利用是氮利用效率的關鍵組成部分。硝酸鹽轉運蛋白NRT1.7負責將源葉中儲存的過量硝酸鹽運輸到韌皮部，并促進硝酸鹽分配到庫葉，在氮饑餓條件下，nrt1.7突變體表現出生長遲緩，表明nrt1.7介導的儲存硝酸鹽的源庫再動員對于維持植物的生長非常重要[37]。增強源庫硝酸鹽再活化是提高氮素利用率和作物產量的新策略。

此外，在葉片和莖的轉錄組中，都有一個絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶LOC117850052下調表達。在植物中，氮素是影響植物生長和發育的關鍵營養元素之一，而絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶在植物對氮素的響應和利用中發揮著重要作用。熊延教授團隊的研究揭示了TOR（target"of"rapamycin）蛋白激酶在植物氮素營養中的作用機制，TOR是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在植物中，無機氮（如硝酸根與銨根）和有機氮（如谷氨酰胺等氨基酸）以彼此相互獨立的信號方式激活ROP2-TOR信號通路，從而調控莖尖生長和發育的分子機制，這一發現為理解植物如何感知和響應氮素營養提供了新的視角，同時也揭示了絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶在氮素利用率中的關鍵作用[38]。

綜上所述，獲得高產、高氮利用效率的作物品種一直是作物育種的一項艱巨任務。提高氮利用效率的過程包括氮吸收、氮從根到莖的運輸、氮同化和氮再分配，每一步都是提高氮利用率不可或缺的。本研究通過一個狗尾草生物量變大突變體的轉錄組分析，挖掘了與狗尾草氮素代謝和調控等可能與生物量大小相關的基因，如硝酸鹽轉運蛋白NRT、銨轉運蛋白AMT、硝酸還原酶NR、亞硝酸還原酶NiR、谷氨酸合成酶GOGAT、NLP家族轉錄因子以及絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶等與NUE密切相關的基因，為下一步谷子及同屬的作物育種提供理論基礎與科學依據。

參考文獻

• PERCIFIELD"R，"HAWKINS"J，"PONTAROLI"A"C，"ESTEP"M，"FENG"L，"VAUGHN"J，"GRIMWOOD"J，"JENKINS"J，"BARRY"K，"LINDQUIST"E，"HELLSTEN"U，"DESHPANDE"S，"WANG"X"W，"WU"X"M，"MITROS"T，"TRIPLETT"J，"YANG"X"H，"YE"C"Y，"MAURO-HERRERA"M，"WANG"L，"LI"P"H，"SHARMA"M，"SHARMA"R，"RONALD"P"C，"PANAUD"O，"KELLOGG"E"A，"BRUTNELL"T"P，"DOUST"A"N，"TUSKAN"G"A，"ROKHSAR"D，"DEVOS"K"M."Reference"genome"sequence"of"the"model"plant"Setaria[J]."Nature"Biotechnology，"2012，"30（6）："555-561.
• GUO"J"H，"LIU"X"J，"ZHANG"Y，"SHEN"J"L，"HAN"W"X，"ZHANG"W"F，"CHRISTIE"P，"GOULDING"K"W"T，"VITOUSEK"P"M，"ZHANG"F"S."Signi?cant"acidi?cation"in"major"Chinese"croplands[J]."Science，"2010，"327"（5968）："1008-1010.
• MULVANEY"R"L，"KHAN"S"A，"ELLSWORTH"T"R."Synthetic"nitrogen"fertilizers"deplete"soil"nitrogen："a"global"dilemma"for"sustainable"cereal"production[J]."Journal"of"Environmental"Quality，"2009，"38（6）："2295-2314.
• MOLES"A"T，"ACKERLY"D"D，"WEBB"C"O，"TWEDDLE"J"C，"DICKIE"J"B，"WESTOBY"M."A"brief"history"of"seed"size[J]."Science，"2005，"307（5709）："576-580.
• GEGAS"V"C，"NAZARI"A，"GRIF?THS"S，"SIMMONDS"J，"FISH"L，"ORFORD"S，"SAYERS"L，"DOONAN"J"H，"SNAPE"J"W."A"genetic"framework"for"grain"size"and"shape"variation"in"wheat[J]."The"Plant"Cell，"2010，"22（4）："1046-1056.
• LINKIES"A，"GRAEBER"K，"KNIGHT"C，"LEUBNER-"METZGER"G."The"evolution"of"seeds[J]."The"New"Phytologist，"2010，"186（4）："817-831."
• LI"N，"LI"Y"H."Signaling"pathways"of"seed"size"control"in"plants[J]."Current"Opinion"in"Plant"Biology，"2016，"33："23-32."
• JIANG"S，"JIN"X"M，"LIU"Z"B，"XU"R，"HOU"C"C，"ZHANG"F"X，"FAN"C"M，"WU"H"L，"CHEN"T"Y，"SHI"J"H，"HU"Z"M，"WANG"G"D，"TENG"S，"LI"L"G，"LI"Y"H."Natural"variation"in"SSW1"coordinates"seed"growth"and"nitrogen"use"efficiency"in"Arabidopsis[J]."Cell"Reports，"2024，"43（5）："114150."
• XU"G"H，"FAN"X"R，"MILLER"A"J."Plant"nitrogen"assimilation"and"use"efficiency[J]."Annual"Review"of"Plant"Biology，"2012，"63："153-182.
• HOU"M"M，"YU"M，"LI"Z"Q，"AI"Z"Y，"CHEN"J"G."Molecular"regulatory"networks"for"improving"nitrogen"use"efficiency"in"rice[J]."International"Journal"of"Molecular"Sciences，"2021，"22（16）："9040.
• 程金金."谷子SiNPF4.12基因在氮素吸收和生長發育過程的功能解析[D]."晉中："山西農業大學，"2023."CHENG"J"J."Functional"analysis"of"SiNPF4.12"gene"in"nitrogen"uptake"and"growth"and"development"in"foxtail"millet"[D]."Jinzhong："Shanxi"Agricultural"University，"2023.
• ZHANG"Z"H，"CHU"C"C."Nitrogen-use"divergence"between"Indica"and"Japonica"rice："variation"at"nitrate"assimilation[J]."Molecular"Plant，"2020，"13（1）："6-7.
• HE"X，"QU"B"Y，"LI"W"J，"ZHAO"X"Q，"TENG"W，"MA"W"Y，"REN"Y"Z，"LI"B，"LI"Z"S，"TONG"Y"P."The"nitrate-inducible"NAC"transcription"factor"TaNAC2-5A"controls"nitrate"response"and"increases"wheat"yield[J]."Plant"Physiology，"2015，"169（3）："1991-2005.
• CHEN"J"G，"FAN"X"R，"QIAN"K"Y，"ZHANG"Y，"SONG"M"Q，"LIU"Y，"XU"G"H，"FAN"X"R."pOsNAR2.1："OsNAR2.1"expression"enhances"nitrogen"uptake"ef?ciency"and"grain"yield"in"transgenic"rice"plants[J]."Plant"Biotechnology"Journal，"2017，"15（10）："1273-1283."
• CHEN"J"G，"LIU"X"Q，"LIU"S"H，"FAN"X"R，"ZHAO"L"M，"SONG"M"Q，"FAN"X"R，"XU"G"H."Co-overexpression"of"OsNAR2.1"and"OsNRT2.3a"increased"agronomic"nitrogen"use"ef?ciency"in"transgenic"rice"plants[J]."Frontiers"Plant"Science，"2020，"11："1245."
• CHEN"J"G，"QI"T"T，nbsp;HU"Z，"FAN"X"R，"ZHU"L"L，"IQBAL"M"F，"YIN"X"M，"XU"G"H，"FAN"X"R."OsNAR2.1"Positively"regulates"drought"tolerance"and"grain"yield"under"drought"stress"conditions"in"rice[J]."Frontiers"in"Plant"Science，"2019，"10："197.
• CHEN"J"G，"ZHANG"Y，"TAN"Y"W，"ZHANG"M，"ZHU"L"L，"XU"G"H，"FAN"X"R."Agronomic"nitrogen-use"ef?ciency"of"rice"can"be"increased"by"driving"OsNRT2.1"expression"with"the"OsNAR2.1"promoter[J]."Plant"Biotechnology"Journal，"2016，"14（8）："1705-1715."
• FENG"H"M，"LI"B，"ZHI"Y，"CHEN"J"G，"LI"R，"XIA"X"D，"XU"G"H，"FAN"X"R."Overexpression"of"the"nitrate"transporter，"OsNRT2.3b，"improves"rice"phosphorus"uptake"and"translocation[J]."Plant"Cell"Reports，"2017，"36（8）："1287-1296."
• WANG"W，"HU"B，"YUAN"D"Y，"LIU"Y"Q，"CHE"R"H，"HU"Y"C，"OU"S"J，"LIU"Y"X，"ZHANG"Z"H，"WANG"H"R，"LI"H，"JIANG"Z"M，"ZHANG"Z"L，"GAO"X"K，"QIU"Y"H，"MENG"X"B，"LIU"Y"X，"BAI"Y，"LIANG"Y，"WANG"Y"Q，"ZHANG"L"H，"LI"L"G，"SODMERGEN，"JING"H"C，"LI"J"Y，"CHU"C"C."Expression"of"the"nitrate"transporter"gene"OsNRT1.1A/"OsNPF6.3"confers"high"yield"and"early"maturation"in"rice[J]."The"Plant"Cell，"2018，"30（3）："638-651.
• DECHORGNAT"J，"FRANCIS"K"L，"DHUGGA"K"S，"RAFALSKI"J"A，"TYERMAN"S"D，"KAISER"B"N."Tissue"and"nitrogen-linked"expression"profiles"of"ammonium"and"nitrate"transporters"in"maize[J]."BMC"Plant"Biology，"2019，"19（1）："206.
• YANG"G"D，"ZHOU"Y"F，"HUANG"R"D，"LIN"F，"HU"Z"Y，"HAO"Z"Y，"LIANG"C"B，"WANG"Q，"MENG"X"X，"DONG"L"D."Identification"of"differentially"expressed"genes"of"sorghum"[Sorghum"bicolor"（L.）"Moench]"seedlings"under"nitrogen"stress"by"RNA-SEQ[J]."Applied"Ecology"and"Environmental"Research，"2019，"17（5）："11525-11536.
• FU"Y"L，"YI"H"Y，"BAO"J，"GONG"J"M."LeNRT2.3"functions"in"nitrate"acquisition"and"long-distance"transport"in"tomato[J]."FEBS"Letters，"2015，"589（10）："1072-1079.
• TANG"W"J，"YE"J，"YAO"X"M，"ZHAO"P"Z，"XUAN"W，"TIAN"Y"L，"ZHANG"Y"Y，"XU"S，"AN"H"Z，"CHEN"G"M，"YU"J，"WU"W，"GE"Y"W，"LIU"X"L，"LI"J，"ZHANG"H"Z，"ZHAO"Y"Q，"YANG"B，"JIANG"X"Z，"PENG"C，"ZHOU"C，"TERZAGHI"W，"WANG"C"M，"WAN"J"M."Genome-wide"associated"study"identifies"NAC42-activated"nitrate"transporter"conferring"high"nitrogen"use"efficiency"in"rice[J]."Nature"Communications，"2019，"10（1）："5279.
• LOQUé"D，"VON"WIRéN"N."Regulatory"levels"for"the"transport"of"ammonium"in"plant"roots[J]."Journal"of"Experimental"Botany，"2004，"55（401）："1293-1305.
• GLASS"A"D，"BRITTO"D"T，"KAISER"B"N，"KINGHORN"J"R，"KRONZUCKER"H"J，"KUMAR"A，"OKAMOTO"M，"RAWAT"S，"SIDDIQI"M"Y，"UNKLES"S"E，"VIDMAR"J"J."The"regulation"of"nitrate"and"ammonium"transport"systems"in"plants[J]."Journal"of"Experimental"Botany，"2002，"53（370）："855-864."
• SONODA"Y，"IKEDA"A，"SAIKI"S，"WIRéN"N"V，"YAMAYA"T，"YAMAGUCHI"J."Distinct"expression"and"function"of"three"ammonium"transporter"genes"（OsAMT1;1-1;3）"in"rice[J]."Plant"Cell"Physiology，"2003，"44（7）："726-734."
• GUO"S，"KALDENHOFF"R，"UEHLEIN"N，"SATTELMACHER"B，"BRUECK"H."Relationship"between"water"and"nitrogen"uptake"in"nitrate-and"ammoniumsupplied"Phaseolus"vulgaris"L."plants[J]."Journal"of"Soil"Science"and"Plant"Nutrition，"2007，"170（1）："73-80."
• RANATHUNGE"K，"EL-KEREAMY"A，"GIDDA"S，"BI"Y"M，"ROTHSTEIN"S"J."AMT1;1"transgenic"rice"plants"with"enhanced"NH4+"permeability"show"superiorgrowth"and"higher"yield"under"optimal"and"suboptimal"NH4+"conditions[J]."Journal"of"Experimental"Botany，"2014，"65（4）："965-979.
• LI"T"Y，"LIAO"K，"XU"X"F，"GAO"Y，"WANG"Z"Y，"ZHU"X"F，"JIA"B"L，"XUAN"Y"H."Wheat"ammonium"transporter"（AMT）"gene"family："diversity"and"possible"role"in"host-pathogen"interaction"with"stem"rust[J]."Frontiers"in"Plant"Science，"2017，"8："1637."
• XIA"Y"Q，"LIU"Y"D，"ZHANG"T"T，"WANG"Y，"JIANG"X"Y，"ZHOU"Y."Genome wide"identification"and"expression"analysis"of"ammonium"transporter"1"（AMT1）"gene"family"in"cassava"（Manihot"esculenta"Crantz）"and"functional"analysis"of"MeAMT1;1"in"transgenic"Arabidopsis[J]."3"Biotech，"2022，"12（1）："4.
• XIA"J"Z，"WANG"Y，"ZHANG"T"T，"PAN"C"C，"JI"Y"Y，"ZHOU"Y，"JIANG"X"Y."Genome-wide"identification，"expression"profiling，"and"functional"analysis"of"ammonium"transporter"2"（AMT2）"gene"family"in"cassava"（Manihot"esculenta"crantz）[J]."Frontiers"in"Genetics，"2023，"14："1145735.
• GAO"S"W，"YANG"Y"Y，"GUO"J"L，"ZHANG"X，"FENG"M"X，"SU"Y"C，"QUE"Y"X，"XU"L"P."Ectopic"expression"of"sugarcane"ScAMT1.1"has"the"potential"to"improve"ammonium"assimilation"and"grain"yield"in"transgenic"rice"under"low"nitrogen"stress[J]."International"Journal"of"Molecular"Sciences，"2023，"24（2）："1595.
• GAO"Z"Y，"WANG"Y"F，"CHEN"G，"ZHANG"A"P，"YANG"S"L，"SHANG"L"G，"WANG"D"Y，"RUAN"B"P，"LIU"C"L，"JIANG"H"Z，"DONG"G"J，"ZHU"L，"HU"J，"ZHANG"G"H，"ZENG"D"L，"GUO"L"B，"XU"G"H，"TENG"S，"HARBERD"N"P，"QIAN"Q."The"indica"nitrate"reductase"gene"OsNR2"allele"enhances"rice"yield"potential"and"nitrogen"use"efficiency[J]."Nature"Communications，"2019，"10（1）："5207.
• YAMAYA"T，"OBARA"M，"NAKAJIMA"H，"SASAKI"S，"HAYAKAWA"T，"SATO"T."Genetic"manipulation"and"quantitative-trait"loci"mapping"for"nitrogen"recycling"in"rice[J]."Journal"of"Experimental"Botany，"2002，"53（370）："917-925.
• TAMURA"W，"KOJIMA"S，"TOYOKAWA"A，"WATANABE"H，"TABUCHI-KOBAYASHI"M，"HAYAKAWA"T，"YAMAYA"T."Disruption"of"a"novel"NADH-Glutamate"Synthase2"gene"caused"marked"reduction"in"spikelet"number"of"rice[J]."Frontiers"in"Plant"Science，"2011，"2："57.
• YU"J，"XUAN"W，"TIAN"Y"L，"FAN"L，"SUN"J，"TANG"W"J，"CHEN"G"M，"WANG"B"X，"LIU"Y，"WU"W，"LIU"X"L，"JIANG"X"Z，"ZHOU"C，"DAI"Z"Y，"XU"D"Y，"WANG"C"M，"WAN"J"M."Enhanced"OsNLP4-OsNiR"cascade"confers"nitrogen"use"efficiency"by"promoting"tiller"number"in"rice[J]."Plant"Biotechnology"Journal，"2021，"19（1）："167-176.
• CHEN"K"E，"CHEN"H"Y，"TSENG"C"S，"TSAY"Y"F."Improving"nitrogen"use"efficiency"by"manipulating"nitrate"remobilization"in"plants[J]."Nature"Plants，"2020，"6（9）："1126-1135.
• LIU"Y"L，"DUAN"X"L，"ZHAO"X"D，"DING"W"L，"WANG"Y"W，"XIONG"Y."Diverse"nitrogen"signals"activate"convergent"ROP2-TOR"signaling"in"Arabidopsis[J]."Developmental"Cell，"2021，"56（9）："1283-1295.