南京农业大学科研团队在J Integr Plant Biol(Q1/9.3)发文!解析水稻丛枝菌根硝酸盐吸收双重调控机制
氮素是作物生长发育必需的大量元素，硝酸盐是旱地与水稻田有氧环境中植物主要吸收的氮素形态。超过 70% 的陆地植物可与丛枝菌根（AM）真菌形成互惠共生体系，构建根系直接吸收与菌根共生途径两套氮素获取系统。前期研究已鉴定水稻 AM 特异性硝酸盐转运蛋白 OsNPF4.5，但其在菌根中特异表达的调控机制尚未明确。近日，南京农业大学资源与环境科学学院团队在植物学顶级期刊Journal of Integrative Plant Biology（JIPB，Q1，IF=9.3） 在线发表题为 “Two mycorrhiza‐responsive MADS transcription factors, OsMADS61 and OsMADS26 regulate both direct and mycorrhizal nitrate transport pathways” 的研究论文，系统阐明两个 MADS 转录因子协同调控水稻直接与菌根硝酸盐吸收通路的分子机制，为作物氮高效利用与菌根共生改良提供关键理论与基因资源。
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通讯作者及单位State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilization in Lower‐Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, ChinaEmail: chenaq8@njau.edu.cnState Key Laboratory of Tropical Crop Breeding, Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571100, China
核心研究结果结果 1：CArG 与 GCC box 是 OsNPF4.5 在菌根根中激活的必需顺式元件。通过 OsNPF4.5 启动子截短与 GUS 报告系统，确定−295 至−202 bp 区域为菌根诱导表达核心区段。该区域含 MADS 结合基序 CArG（CW8G）与 GCC box，单独缺失任一基序均导致启动子活性几乎完全丧失；四串联 CArG 重复可驱动 GUS 在丛枝细胞特异性表达。EMSA 与原生质体转化证明，CCaMK–CYCLOPS 复合物通过 GCC box 正调控 OsNPF4.5 转录，明确双顺式元件协同激活机制。结果 2：OsMADS61 直接结合 CArG 基序正向调控 OsNPF4.5。从水稻 1588 个转录因子文库中，通过酵母单杂交筛选到 MADS 家族蛋白 OsMADS61。该基因受 AM 共生显著上调，定位于细胞核，在丛枝含体细胞中高表达。Y1H、EMSA、ChIP‑qPCR 与双荧光素酶实验一致证明，OsMADS61 通过 CArG 基序直接结合并激活 OsNPF4.5 启动子。敲除 OsMADS61 显著降低地上部生物量、氮积累量、菌根定殖率与丛枝丰度，同时下调 OsNPF4.5 表达，证实其正向调控菌根硝酸盐吸收。结果 3：OsMADS61 调控非共生条件下根系生长与直接硝酸盐吸收。OsMADS61 主要在根中表达，短期硝酸盐处理呈瞬时响应。敲除突变体根生物量下降约 30%、根长缩短，高 / 低硝酸盐条件下地上部氮积累均显著降低；过表达株系生物量与氮含量大幅提升。RNA‑seq 与 qPCR 显示，OsMADS61 正向调控直接吸收通路关键基因 OsNRT2.2、OsNAR2.1 及氮代谢、根系生长相关基因，并直接结合 OsNRT2.2 启动子激活表达，兼具调控根系发育与直接硝酸盐吸收功能。结果 4：OsMADS26 平行调控直接与菌根硝酸盐吸收通路。OsMADS26 同样受 AM 共生诱导，在丛枝细胞富集表达。Y1H、EMSA 与荧光素酶实验证明，OsMADS26 直接结合 OsNPF4.5、OsNRT2.2 与 OsNAR2.1 启动子并激活转录。敲除 OsMADS26 导致植株生长受抑、氮积累下降、菌根定殖与丛枝形成显著降低，靶基因表达下调，表型与 osmads61 相似，证明其独立调控双通路。结果 5：OsMADS26‑OsMADS61 形成层级调控模块。osmads26/61 双突变体较单突呈现更显著的生长、氮积累与菌根定殖缺陷，OsNPF4.5 表达进一步下调。osmads26 突变体中 OsMADS61 表达显著下降；Y1H 与荧光素酶实验证实 OsMADS26 直接结合 OsMADS61 启动子并激活转录，形成OsMADS26→OsMADS61层级调控，协同放大对双硝酸盐吸收通路的调控效应。
图文解析图 1：OsNPF4.5 不同启动子截短体在菌根根的 GUS 活性，证明−295 bp 片段足够驱动表达，CArG 缺失使活性丧失，4×CArG 可恢复表达，明确 CArG 为核心元件。图 2：OsMADS61 通过 Y1H、EMSA、ChIP‑qPCR 与荧光素酶实验，直接结合并激活 OsNPF4.5 启动子，结合依赖 CArG 基序。图 3：OsMADS61 组织表达以根为主，受 AM 共生诱导在丛枝细胞特异性增强，硝酸盐短期处理呈动态响应。图 4：osmads61 突变体菌根条件下生物量、氮含量、菌根定殖率下降，OsNPF4.5 等靶基因表达下调，表型与 OsNPF4.5 突变体相似。图 5：OsMADS61 敲除降低根生物量与氮积累，过表达显著提升生长与氮含量，调控直接硝酸盐吸收与根系生长。图 6：osmads61 根 RNA‑seq 鉴定到氮转运、代谢及根系发育相关基因下调，qPCR 验证表达趋势。图 7：OsMADS26 结合并激活 OsNPF4.5，在根与丛枝细胞特异表达，敲除导致生长、氮积累与菌根定殖缺陷。图 8：OsMADS26 直接结合 OsNRT2.2、OsNAR2.1 与 OsMADS61 启动子并激活转录，构建层级调控。图 9：工作模型，OsMADS26 与 OsMADS61 通过 CArG 调控 OsNPF4.5（菌根通路）及 OsNRT2.2/OsNAR2.1（直接通路），OsMADS26 上游调控 OsMADS61，CCaMK‑CYCLOPS 通过 GCC box 协同激活 OsNPF4.5。
研究展望本研究揭示MADS 转录因子调控植物菌根硝酸盐吸收的分子机制，证明 OsMADS61 与 OsMADS26 以层级调控 + 平行调控模式，同时控制直接与菌根双硝酸盐吸收通路，完善水稻氮高效利用的调控网络。研究为通过分子育种改良 MADS 因子、协同提升作物氮利用效率与菌根共生效率提供关键靶点，对减肥增效、绿色农业生产具有重要应用价值。未来可聚焦该调控模块在小麦、玉米等大田作物的保守性，开发氮高效与菌根友好型作物新品种。
