水稻硝酸盐转运蛋白OsNPF2.1参与硝酸盐、钾协同吸收利用的功能研究

Nitrogen (mainly in the form of ammonium and nitrate) and potassium are essential macronutrients for plant. Balance application of N and K can improve plant growth and increase yield. K+ can mediate anion-cation balance as a major cation in plant. In my previous study, OsNPF2.1 is predicted as a nitrate transporter and belongs to rice NPF family. OsNPF2.1 knock-out depressed uptake and transport of NO3- and K+. However, it is still unclear that the mechanism involved in the process. Heterologous expression system, Xenopus Lavies oocyte, will be used to identify the function of OsNPF2.1 in NO3- transport when oocytes were treated with different concentration of nitrate or potassium and pH. Besides, we will mainly focus on analysis of NO3-/K+ uptake, transport and distribution in osnpf2.1 overexpressing and knock-out plants with different NO3-/K+ supply. Gene chip will be used to scan osnpf2.1 knock-out mutants to detect the expression of key K transporter genes. In this project, we expect to identify function of OsNPF2.1 in acquisition and transport of NO3- and K, providing more knowledge for high use efficiency of nitrogen and potassium together in plants.

氮（主要是铵态氮和硝态氮）和钾是植物生长必需的大量营养元素，平衡施氮、钾肥可以促进植物生长发育和提高产量。钾离子 (K+)是调节植物体内阴阳离子平衡的主导阳离子。申请人前期结果得到，OsNPF2.1预测属于水稻NPF家族的硝酸盐转运体，OsNPF2.1的缺失突变显著抑制NO3-、K+的吸收和转运，但其作用机制尚不清楚。本项目将利用蟾卵异源表达系统分析OsNPF2.1在细胞内外不同浓度NO3-、K+，以及pH条件下的参与NO3-转运的功能；利用osnpf2.1突变体和过表达材料，重点鉴定OsNPF2.1在不同供NO3-、K条件下对水稻NO3-、K+的吸收、转运和分配的影响；并运用基因芯片和qRT-PCR技术分析osnpf2.1突变体材料中K+吸收转运关键基因的表达特征。本研究有望阐明水稻硝酸盐转运蛋白OsNPF2.1参与的NO3-、K+吸收转运的贡献，为植物氮、钾的协同高效利用提供理论依据。

氮（主要是NH4+和NO3-）和钾是植物生长必需的大量营养元素，平衡施氮、钾肥可以促进植物生长发育和提高产量。钾离子 (K+)是调节植物体内阴阳离子平衡的主导阳离子。本项目通过蟾卵异源表达系统分析OsNPF2.1(更名为OsNPF2.4)参与NO3-转运的功能；利用突变体和过表达材料，重点鉴定OsNPF2.4对水稻NO3-、K+的吸收、转运和积累的影响；并运用qRT-PCR术分析OsNPF2.4敲除突变体水稻中NO3-、K+转运关键基因的表达和RNA-seq的表达谱分析。主要结果如下：..1. OsNPF2.4表达在根中受高浓度NO3-的诱导; OsNPF2.4定位于细胞质膜上；在蟾卵系统中验证OsNPF2.4是一个pH依赖性的低亲和硝酸盐转运蛋白。.2. 在水稻幼苗期，在外界低、高NO3-浓度下，OsNPF2.4的敲除降低而其超表达提高了根、叶片、茎干和叶鞘中NO3-的含量；OsNPF2.4的敲除严重影响在缺N情况下水稻对NO3-从老叶向根中的转运。.3. 在水稻幼苗期，在高浓度NO3-、正常K+和低K+两种处理下，OsNPF2.4均参与了水稻NO3-和K+的吸收和转运；在水稻成熟期，OsNPF2.4的敲除和超表达也影响成熟期水稻的N和K的积累。.4. OsNPF2.4敲除影响了NO3-转运蛋白基因(OsNRT2.1和OsNRT2.3a等)及其辅助蛋白基因OsNAR2.1的表达、K+吸收利用基因（OsHAK11和OsHAK12等）的表达，以及一些参与合作用、碳代谢、DNA复制和淀粉蔗糖代谢等途径的基因表达。..基于以上结果，本项目提出，OsNPF2.4不仅参与水稻硝酸盐的吸收与转运，而且影响钾吸收转运，同时影响了硝酸盐和钾转运、光合和碳代谢等一些基因的表达，这些结果为研究水稻氮、钾协同高效利用提供了理论依据。