氨基酸代谢与光合作用协同调控皂荚不同基因型氮效率差异的生理机制研究

为解决氮肥利用效率(NUE)低下制约可持续林业发展的难题，研究人员以中国特有经济树种皂荚(Gleditsia sinensis)为对象，通过比较氮高效(Changshun1)与氮低效(Luoting2)基因型在低氮(LN)、常氮(NN)和高氮(HN)条件下的生理响应，发现氮高效基因型通过增强氮同化酶活性(如NR、GS)、优化氨基酸代谢通路和维持光合系统稳定性，显著提升生物量和氮积累量。该研究为木本植物氮效率遗传改良提供新靶点，对喀斯特地区生态修复具有重要意义。

　　

在喀斯特地区薄层土壤氮素匮乏的生态背景下，如何提高木本植物的氮利用效率(NUE)成为林业可持续发展的关键瓶颈。传统氮肥施用不仅成本高昂，更导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题。作为兼具经济与生态价值的豆科树种，皂荚(Gleditsia sinensis)在喀斯特生态修复中展现出巨大潜力，但其不同基因型间显著的NUE差异机制尚未阐明。贵州大学林学院的研究团队通过系统比较氮高效基因型Changshun1与氮低效基因型Luoting2的生理与分子特征，揭示了氨基酸代谢与光合作用协同调控氮效率的创新机制，相关成果发表于农林科学领域权威期刊《Industrial Crops and Products》。

研究采用多组学联用策略：通过透射电镜观察叶肉细胞超微结构损伤，利用Li-6400光合仪测定气体交换参数，采用生化试剂盒检测硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)等5种氮代谢酶活性，基于Illumina Novaseq 6000平台开展转录组测序，并运用加权基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘核心调控模块。所有实验均设置6个生物学重复，确保数据可靠性。

生长特性分析显示，Changshun1在低氮条件下叶片生物量比Luoting2提高54.37%，叶面积增加51.88%，且叶绿素a/b含量显著更高。电镜观察发现，Luoting2在低氮胁迫下出现严重的液泡化现象，线粒体嵴结构模糊，而Changshun1细胞器保持完整。

氮代谢研究表明，Changshun1的净光合速率(Pn)在不同氮处理下均高于Luoting2，其NR、GS等关键酶活性最高可达对照的2.3倍。转录组分析鉴定到4491个差异表达基因(DEGs)，KEGG富集显示氨基酸代谢和光合作用通路显著激活。值得注意的是，氮高效基因型中色氨酸、酪氨酸等10种氨基酸合成通路基因表达量上调1.5-3倍。

WGCNA网络鉴定出15个共表达模块，其中"MEgreen"模块与生物量呈强正相关(r=0.92)，包含TRINITY_DN162_c0_g1(WRKY转录因子)等关键基因。qPCR验证表明，该WRKY基因在Changshun1中的表达量是Luoting2的4.6倍，可能通过调控氮转运蛋白基因表达提升NUE。

这项研究首次系统阐明了皂荚氮效率的分子生理机制：氮高效基因型通过三重协同机制实现高效氮利用——增强氮同化酶系活性促进NO₃^-转化，动态调节氨基酸代谢平衡氮分配，维持光合机构稳定性保障能量供应。特别是发现的WRKY转录因子，为木本植物氮效率分子育种提供了新靶点。该成果不仅对喀斯特生态脆弱区植被恢复具有实践指导价值，更为解决全球氮肥过度施用导致的生态环境问题提供了树种改良新思路。