NLP7激活的质体G6PD3转录通过抑制细胞分裂素信号介导拟南芥低氮胁迫耐受性

本研究揭示了拟南芥在低氮胁迫下，转录因子NLP7通过直接激活质体葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因（G6PD3）表达，调控细胞分裂素（CTK）信号与活性氧（ROS）稳态，从而维持主根生长和氮素利用效率（NUE）的关键分子机制。

　　

亮点

• 低氮显著上调G6PD3表达，其功能缺失突变体g6pd3表现出对低氮敏感的表型。

• 低氮条件下，g6pd3根部细胞分裂素（CTK）含量升高，而野生型（Col-0）中降低。

• RNA-seq分析显示，在g6pd3中低氮上调CTK合成基因（CYP735A1）并下调降解基因（CKX1、CKX5、CKX6）。

• g6pd3/cyp735a1双突变体在低氮下H₂O₂和活性氧（ROS）含量恢复至野生型水平，并表现出更长的初生根和更高的氮利用效率（NUE）。

• 硝酸盐调控转录因子NLP7直接结合G6PD3启动子并激活其转录。

• G6PD3参与调控氮代谢、碳代谢和氨基酸代谢相关基因的表达。

引言

土壤中的硝酸盐是植物的主要氮（N）源，其缺乏会严重阻碍植物生长发育（Xu et al., 2012; Maeda et al., 2018）。为适应低硝酸盐环境，植物通过调节基因表达来应对，这些基因涉及硝酸盐转运与同化（Gao et al., 2022; Bashir et al., 2023）、转录因子（TFs）、碳代谢（Kovacik et al., 2007; Tewari et al., 2007）、活性氧（ROS）稳态（Rahantaniana et al., 2017; Wen et al., 2023）和激素响应（Kiba et al., 2011）。此外，硝酸盐还能诱导多种代谢途径中基因的表达，如磷酸戊糖途径（PPP）、呼吸代谢、卡尔文循环等（Wang et al., 2003; Esposito et al., 2005; Lejay et al., 2008）。因此，硝酸盐能触发复杂的调控网络以调节植物在低氮条件下的生长。

NLP激活因子已被确定为调控硝酸盐响应基因网络的关键转录因子（Castaings et al., 2009; Konishi et al., 2013）。拟南芥NLP家族有九个成员，NLP7是参与调控氮利用效率（NUE）的主要成员之一。在氮缺乏条件下，外源补充硝酸盐后，NLP7可从细胞质穿梭至细胞核，进一步激活硝酸盐响应基因的表达（Marchive et al., 2013; Zhang et al., 2024）。NLP7主要通过结合拟南芥中的硝酸盐响应顺式元件（NRE）来调控氮相关基因的表达，例如NRT2.1基序（CAACCTT）、NRT2.2基序（TAACCTT）和NIA1基序（TGACCCTT）（Konishi and Yanagisawa, 2013; Marchive et al., 2013）。近期全基因组研究表明，硝酸盐饥饿的根暴露于硝酸盐可激活拟南芥中磷酸戊糖途径（PPP）中用于亚硝酸盐还原的基因（Wang et al., 2003）。编码PPP中质体葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）的基因G6PD3，被鉴定为受NLP7调控的基因之一（Menz et al., 2016; Durand et al., 2023），但其具体调控机制仍不清楚。

作为固着生物，植物整合激素信号和营养刺激以调整生长，响应不断变化的环境条件（Pavl? et al., 2018）。细胞分裂素（CTK）对许多生物过程至关重要，包括种子萌发、细胞分裂与分化、花的起始与适应以及非生物胁迫（Skoog and Miller 1957; Miller, 1961）。在低氮条件下生长的植物表现出CTK水平下降，而添加硝酸盐则导致其增加（Samuelson and Larsson 1993; Takei et al., 2001）。CTK含量受参与其合成和降解的基因表达的影响（Kieber et al., 2014）。在拟南芥中，硝酸盐有效性可通过上调编码第一个限速酶的异戊烯基转移酶（IPT3, IPT5）和催化反式玉米素（tZ）生产的细胞色素P450（CYP735A1, CYP735A2）的表达来增加CTK生物合成（Liu et al., 2018）。CTK也被认为是协调氮需求和获取的关键信号（Kiba et al., 2011）。外源施用CTK会抑制氮 deprived 根中的AtNRT2转录（Kiba et al., 2011）。因此，CTK信号的中断会影响硝酸盐的吸收和利用。

活性氧（ROS）是植物根响应营养刺激的关键因子（Choudhury et al., 2017; Tarkowski et al., 2023），即超氧阴离子自由基（O₂^?-）、羟基自由基（?OH）、过氧化氢（H₂O₂）和单线态氧（¹O₂, Gill and Tuteja. 2010）。其中，H₂O₂被认为是最稳定的ROS（Desikan et al., 2005; Farooq et al., 2019），并在氮饥饿响应中充当潜在信使（Jung et al., 2018）。例如，氮缺乏可诱导玉米、水稻和苜蓿根中H₂O₂积累（Trevisan et al., 2019; Zang et al., 2020）。在拟南芥中，施用硝酸盐可减少H₂O₂积累，而H₂O₂通过调节NLP7的核质穿梭来抑制硝酸盐信号（Chu et al., 2021）。然而，关于ROS作为植物响应硝酸盐水平的潜在第二信使的证据仍然有限。据报道，外源CTK可增加拟南芥保卫细胞中的ROS水平并诱导气孔关闭（Arnaud et al., 2017）。盐诱导的CTK导致拟南芥根中ROS增加，从而抑制根生长（Wang et al., 2015）。在烟草中，外源施用CTK诱导叶片中ROS积累（Mlejnek, 2022）。因此，CTK在植物响应环境胁迫中维持ROS稳态至关重要。然而，关于CTK和氧化信号在低氮胁迫下调控根系发育的关系和机制的研究有限。

G6PD是PPP的关键酶，通过维持细胞内氧化还原稳态在植物响应非生物胁迫中发挥重要作用（Wang et al., 2008; Liu et al., 2013）。PPP与质体中无机氮同化的联系是通过观察建立的，即PPP为NiR（Bowsher et al., 2007）和GOGAT（Bowsher et al., 1989; Esposito et al., 2005）提供NADPH。编码质体G6PD的G6PD3受硝酸盐激活的NLPs直接调控，并参与拟南芥根系发育的调控（Menz et al., 2016; Liu et al., 2017; Durand et al., 2023）。然而，G6PD3在氮限制条件下的具体作用和调控机制尚不清楚。在本研究中，我们鉴定出拟南芥G6PD3是NLP7的直接靶基因，并进一步探讨了低氮条件下NLP7介导的G6PD3表达上调的生理意义。我们的结果表明，低硝酸盐诱导的G6PD3表达通过协调CTK和ROS信号，在植物响应氮营养维持主根生长中起着关键作用。

讨论

在植物中，硝酸盐是调节各种生理和发育过程的关键营养信号（Trachsel et al., 2013）。硝酸盐响应调控网络被广泛认为控制着植物的生长、发育和生命周期（Linkohr et al., 2002; Mu et al., 2015）。在此过程中，G6PD3被确定为其主要响应调节因子之一。据报道，G6PD3的表达在拟南芥中受NLP2和NLP7调控（Durand et al., 2023）。