氮是植物生命體的基本構成元素。在旱地土壤中，硝態(tài)氮是植物的主要氮素吸收形態(tài)，但其含量在農田土壤中存在顯著的時空異質性。面對時而充足、時而匱乏的硝態(tài)氮環(huán)境，植物演化出了一套精密的調控系統(tǒng)。然而，與已被深入研究的氮充足條件下的初級氮響應機制相比，植物在氮饑餓脅迫下如何迅速調節(jié)生長、高效獲取氮源的核心信號網(wǎng)絡，仍有諸多未明之處。

近日，浙江大學生命科學學院鄭紹建教授團隊在Science Bulletin發(fā)表了題為RBOHC-derived ROS control plant nitrate starvation response via WRKYs-activated expression of high-affinity nitrate transporters的研究成果，證明RBOHC產生的活性氧（ROS）是擬南芥氮饑餓響應信號途徑的關鍵第二信使，并揭示了WRKY轉錄因子在植物氮營養(yǎng)調控中的重要功能。

研究團隊通過系統(tǒng)的遺傳篩選發(fā)現(xiàn)，擬南芥中RBOHC基因功能缺失突變體（rbohc，rc-1）在低氮條件下表現(xiàn)出根長縮短、葉面積減少等生長抑制表型，同時硝酸鹽吸收能力下降。這些現(xiàn)象在氮充足條件下并未出現(xiàn)（圖1），表明RBOHC是植物特異性響應氮饑餓的正向調控因子。

圖1.RBOHC產生的ROS正向調控低氮條件下的硝酸鹽吸收與植物生長

研究進一步闡明了RBOHC的核心作用機制：它是低氮脅迫下ROS積累的主要來源。H2DCF-DA熒光染色顯示，在氮饑餓條件下，野生型（WT）植物根毛區(qū)有顯著的ROS積累，而在rbohc突變體（rc-1）中這一現(xiàn)象幾乎完全消失（圖2）。這直接證明RBOHC是啟動氮饑餓響應中活性氧信號的關鍵引擎。

圖2.低氮誘導野生型根毛區(qū)ROS積累

那么，這個ROS信號如何轉化為具體的生理指令？轉錄組分析給出了線索：近50%的低氮響應基因的表達依賴于RBOHC產生的ROS（圖3a）。其中，兩個WRKY家族轉錄因子WRKY42與WRKY58的表達在rbohc突變體中顯著降低，并且在WT中受低氮誘導（圖3b）。研究人員通過構建基因編輯突變體和顯性抑制材料，證實了它們的核心作用：WRKY42-SRDX與WRKY58-SRDX抑制株系在低氮條件下硝酸鹽吸收能力降低，其生長表型與rbohc突變體高度相似。

圖3. WRKY42和WRKY58在調控氮饑餓響應中的核心作用

更深入的分子機制研究表明，WRKY42能夠直接結合到高親和硝酸鹽轉運蛋白基因NRT2.1，NRT2.2和NRT2.4啟動子特定區(qū)域（W-box元件），并通過雙熒光素酶報告系統(tǒng)、EMSA和ChIP-qPCR實驗證實其直接轉錄激活功能。WRKY58雖未顯示直接結合，但與WRKY42存在功能冗余，可能通過其他方式間接影響NRT2s表達。

綜上，該研究首次在擬南芥中建立了“RBOHC–ROS–WRKY–NRT2”信號通路框架，揭示了ROS在氮饑餓響應中的正調控作用，拓展了植物營養(yǎng)信號與氧化信號交叉調控的研究維度。未來，通過對該通路中RBOHC的翻譯后調控機制、ROS如何精準調控WRKY轉錄活性等問題的深入研究，有望為作物氮高效利用的遺傳改良提供新的分子靶點與育種策略，助力綠色可持續(xù)農業(yè)發(fā)展。

圖4. RBOHC–ROS–WRKY–NRT2信號通路模式圖

浙江大學生命科學學院博士研究生袁甜為該論文的第一作者，浙江大學生命科學學院鄭紹建教授和丁忠杰研究員為該論文通訊作者。浙江大學生命科學學院毛傳澡教授、金崇偉教授和法國巴黎薩克雷大學的Moussa Benhamed教授等合作者也參與了該項研究工作。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、111引智計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金等項目的資助。

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