【氨基酸】水稻氨基酸吸收与转运

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标题：Oryza sativa Lysine‐Histidine‐type Transporter 1 functions in root uptake and root‐to‐shoot allocation of amino acids in rice

期刊：the plant journal

IF：5.7

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.14742

第一作者：Nan Guo

通讯作者：徐国华 教授

主要单位：南京农业大学

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Summary

农业生产土壤中的氨基酸是重要的 N 源，影响着作物的生长和产量。然而，农作物中氨基酸的吸收和分布的分子机制尚未清楚。这个研究发现水稻根系能够从土壤中吸收天冬氨酸，而且粳稻的吸收效率是籼稻的 1.5 倍。遗传连锁分析鉴定到了 OsLTH1 和天冬氨酸的吸收相关。酵母实验发现 OsLTH1 在大多氨基酸中都能促进细胞的生长，能够有效转运天冬氨酸、天冬酰胺和谷氨酸。OsLTH1 定位在水稻的根系，包括根毛、表皮，还存在于叶脉中。将粳稻中的 OsLTH1 敲除后，根系吸收氨基酸的能力降低。总之，这个研究证明了 OsLTH1 氨基酸吸收和转运中有着重要的功能。

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粳籼稻氨基酸吸收能力差异

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38 个粳稻和 30 个籼稻在以天冬氨酸为唯一 N 源的营养液中进行培养，发现粳稻吸收天冬氨酸的能力是籼稻的 1.5 倍（图 1a）。

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连锁分析鉴定潜在相关位点

将 68 个水稻品种的 SNP 和吸收天冬氨酸的能力进行关联分析，发现 85 个潜在氨基酸转运子（图 1b）。其中关联性最强的是 LTH1。分析了 68 个水稻品种中 OsLTH1 的启动子和编码区，一共发现了 10 个单倍型。在粳稻中主要是 Hap1，在籼稻中主要是 Hap5 和 Hap6。这也从侧面说明 OsLTH1 在粳籼稻中是多样性的。

为了确定 OsLTH1 上的 SNP 是造成粳籼稻氨基酸吸收差异的原因，进行了基于基因的关联分析。发现有两种基因型，Hap1 和 Tap2 属于 Type I；Hap3 和 Hap10 属于 Type II。刚好大多数粳稻属于 Type I, 大多数籼稻属于 Type II。Type I 的吸收天冬氨酸的能力比 Type II 强（图 1c）。为了确定 OsLTH1 和粳籼稻氨基酸吸收能力差异相关，分别比较了 12 个 Type I 的粳稻和 12 个 Type II 的籼稻的 N 吸收差异（图 1d）。发现这些粳稻对 - 天冬氨酸的吸收能力比籼稻的强，而且 OsLTH1 在粳稻的表达量也更高（图 1e）。

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OsLTH1 定位

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用 3 周龄的 Nipponbare 研究 OsLTH1 的表达（图 2a）。发现 OsLTH1 在根系和叶脉中均有表达。分析 OsLTH1 和其他安九三转运子的表达关系时发现，OsLTH1 的表达量最高（图 2b）。进一步的研究发现 OsLTH1 在根毛和侧根中表达最旺盛（图 2cde），而且在整个根系中都有表达（图 2f）。此外，GUS 染色发现该基因在叶脉中也有表达（图 2gh）。

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*OsLTH1 *在不同氨基酸环境下对酵母生长的影响

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为了验证 OsLTH1 是否是功能性转录子，进行异源互补实验 。实验结果表明，和拟南芥的 LTH1 类似，OsLTH1 在多种氨基酸中都能影响酵母细胞的生长。随着氨基酸浓度的升高，酵母的生长速率也随之升高（图 4a-g），说明 OsLTH1 难过转运酸性氨基酸，在有浓度依赖时能够转运天冬酰胺。经过 OsLTH1 对氨基酸的亲和性研究发现，OsLTH1 能够以很高的亲和力转运天冬氨酸、谷氨酸和天冬酰胺（图 4h-j）。

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OsLTH1 通过介导酸性氨基酸含量影响水稻生长

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水稻和拟南芥的研究中发现以单一氨基酸为 N 源时，植株生长会受到抑制。作者最先使用不同浓度的天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸及谷氨酰胺作为唯一 N 源，研究 Nipponbare 的生长情况（图 5a-b），发现天冬氨酸和谷氨酸在 10mM 及以上浓度就会抑制植株的生长，但是天冬酰胺和谷氨酰胺无差异（图 5a-b）。

为了验证 OsLTH1 在根系吸收酸性氨基酸的功能，使用 CRISPR-Cas9 构建了突变体。突变体和野生型植株都培养在以天冬氨酸和谷氨酸作为唯一 N 源的营养液中（图 5cd）。天冬氨酸浓度在 10 和 100mM 时，突变体的根系比野生型的更长，在谷氨酸中突变体和野生型无差异（图 5cd）。

OsLTH1 的突变体吸收更少的酸性氨基酸，造成了突变体和野生型之间的生长差异。

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*OsLTH1 *参与根系酸性氨基酸和酰胺的吸收

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氮饥饿、3 周的突变体及野生型植株放置在 100 经过 标记的天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸和谷氨酰胺中 30 分钟，发现突变体中 的含量比野生型低了 40-60%，再次证明 OsLTH1 在根系中具有吸收酸性氨基酸和酰胺的功能（图 6）。

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*OsLHT1 *影响铵态氮吸收和氮素向茎杆的转运

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评估 OsLTH1 在氨基酸从根系向茎叶运输中的功能，发现和野生型相比，突变体中 水平在根系中降低了 66%，茎叶中降低了 84% 左右（图 7ab）。** 突变体比野生型从根系转运更少的氨基酸到茎叶中**。OsLTH1 不仅仅能够使根系从土壤中吸收氨基酸，也能影响氨基酸从根系到茎叶的转运。

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*OsLTH1 *能够影响吸收铵的植物叶片的氨基酸水平

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*OsLTH1 *影响水稻植株的生长发育

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突变体和野生型植株在 NH 营养液中根系生长没有差异（图 9abc），但是在发育阶段却表现出了明显的差异（图 9d-i）。

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总结

• OsLTH1 是根系氨基酸吸收的关键转运子
• OsLTH1 参与氨基酸从根系到茎叶的运输