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为解决小麦氮磷高效利用的问题，中国农业大学的研究人员开展了 TaTCP6 在小麦氮磷利用中作用的研究。他们发现 TaTCP6 可协调氮磷利用，过表达能增产。该研究为培育高效利用氮磷的小麦品种提供关键依据，值得科研人员阅读。
中国农业大学分子设计育种前沿科学中心（Frontiers Science Center for Molecular Design Breeding）的 Bin Liu、魏亚旭（Weya Xu）等研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “TaTCP6 is required for efficient and balanced utilization of nitrate and phosphorus in wheat” 的论文。该研究对于揭示小麦氮磷高效利用的分子机制、推动可持续农业发展具有重要意义，为培育氮磷高效利用的小麦新品种提供了关键理论依据和基因资源。
研究背景
农作物的高产离不开充足的养分，其中硝酸盐（N）和磷（P）是至关重要的大量元素。植物进化出了复杂的系统来应对土壤中养分浓度的变化。在模式植物中的研究表明，养分获取存在优先级，比如磷饥饿响应（PSR，Phosphorus starvation responses）需要在硝酸盐存在的情况下才会被激活 。因此，探究作物如何在复杂环境中高效协调氮磷利用十分关键。此前的研究多集中在水稻和拟南芥上，对小麦的相关研究较少。而小麦作为重要的粮食作物，研究其氮磷利用的调控机制迫在眉睫。
在过去的研究中，已经发现了一些与氮磷信号传导相关的关键因子。例如，在拟南芥中，硝酸盐 - NRT1.1 - NLP7 - NIGT1 级联反应通过抑制 PHO2 表达来稳定 PHO1 和 PHT1 蛋白；在水稻中，硝酸盐 - OsNRT1.1B - OsSPX4 级联反应整合了氮磷信号网络 。此外，TCP（TEOSINTE BRANCHED1/CINCINNATA/PROLIFERATING CELL FACTORs）转录因子在植物生长发育过程中发挥着重要作用，但其在小麦氮磷利用中的功能尚未明确。
研究方法
- 植物材料构建：通过农杆菌介导的基因转化技术，构建了 TaTCP6、TaSPX1 和 TaPHR2 的过表达和敲除材料。利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术获得 TaTCP6 突变体植株。这些材料为后续研究基因功能提供了重要基础。
- 实验处理：进行了水培实验、田间实验以及短期硝酸盐诱导实验。水培实验设置不同的氮磷供应组合，模拟不同的土壤养分条件；田间实验在不同地点设置正常和低氮低磷处理，观察植株的农艺性状；短期硝酸盐诱导实验用于分析硝酸盐处理后基因表达的动态变化。
- 检测分析技术：运用转录组测序、实时荧光定量 PCR（RT-PCR）、染色质免疫沉淀测序（CUT&Tag）等技术检测基因表达水平和 DNA 结合位点；通过酵母单杂交（Y1H）、酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）、荧光素酶互补成像（LCI）等实验验证蛋白质之间的相互作用；采用 15N 标记技术分析硝酸盐吸收效率，测定磷含量、硝酸还原酶活性等指标评估植株的氮磷利用情况。
研究结果
- 硝酸盐激活氮磷利用相关基因，促进氮磷协调利用：研究人员通过水培实验，设置高硝酸盐（HN）、低硝酸盐（LN）、高磷酸盐（HP）、低磷酸盐（LP）等不同处理组合，培养小麦幼苗。结果发现，在 LN 和（或）LP 条件下，小麦根生物量显著增加，表明处理有效。在 HN 条件下，增加磷酸盐供应对小麦总生物量的提升效果更明显。通过转录组测序分析发现，高氮是 PSR 基因响应低磷条件的前提，低磷会减弱硝酸盐信号通路。同时，研究还发现硝酸盐能直接激活硝酸盐和磷酸盐信号通路，实现氮磷的平衡利用。例如，在 HNHP 条件下，氮利用相关基因的数量和表达水平均高于 HNLP 条件。
- 硝酸盐诱导的 TaTCP6 正向调控硝酸盐吸收和利用：研究人员以 TaNRT2.1 为研究对象，利用 Y1H 筛选其启动子的调控因子，发现了 TaTCP6。TaTCP6 的表达模式与 TaNRT2.1 相似，且受硝酸盐诱导。通过 Y1H、EMSA 等实验证实了 TaTCP6 与 TaNRT2.1 启动子的直接相互作用。进一步构建 TaTCP6 的过表达和敲除材料，发现过表达 TaTCP6 能显著上调硝酸盐吸收和同化相关基因的表达，增强硝酸盐吸收能力；而敲除 TaTCP6 则会降低硝酸盐吸收能力。此外，研究还发现 TaTCP6 可能参与氮营养的分配，在不同氮条件下对植株不同部位的氮含量产生影响。
- TaTCP6 调控小麦和水稻的关键农艺性状：研究人员进行了田间实验，发现过表达 TaTCP6 可显著增加小麦的株高、千粒重和分蘖数，而 TaTCP6-SRDX（TaTCP6 与 SRDX 抑制结构域融合的转基因材料）则表现出相反的表型，且穗发育严重受损。在水稻中，OsTCP6 突变体也表现出株高、穗粒数等农艺性状的显著下降，产量降低。这表明 TaTCP6 及其在水稻中的同源基因对作物产量至关重要。
- 鉴定 TaTCP6 的靶基因：对过表达 TaTCP6 的多个株系进行转录组分析，结合 CUT&Tag 实验，鉴定出 TaTCP6 的 DNA 结合位点和靶基因。GO 分析显示，这些靶基因富集在铁运输、激素响应、幼苗发育、葡萄糖响应和硝酸盐响应等生物学过程中。EMSA 实验进一步证实了 TaTCP6 与部分靶基因启动子的直接结合，表明 TaTCP6 通过直接调控相关基因，控制硝酸盐的吸收、同化和小麦的发育。
- TaTCP6 在小麦磷吸收和利用中起关键作用：基于 OsTCP19 过表达水稻植株中 OsPht1;2 表达受抑制以及 TaTCP6 转基因植株籽粒磷含量变化的现象，研究人员推测 TaTCP6 可能参与磷的吸收和利用。实验结果显示，TaTCP6 过表达植株中磷吸收和利用相关基因的表达增强，磷含量增加。Y2H 筛选发现 TaTCP6 与多个 GARP 家族转录因子相互作用，包括磷饥饿响应的关键转录调节因子 TaPHR2，进一步实验证实了它们在细胞核中的相互作用。
- TaTCP6 与 TaSPXs 竞争，释放 TaPHR2 并增强其活性以启动 PSR：SPX 结构域蛋白在抑制 PSR 中起重要作用。研究发现 TaTCP6 能与 TaSPX1、TaSPX4 等 TaSPX 蛋白相互作用，且这种相互作用不依赖于磷酸盐。TaTCP6 可与 TaSPXs 竞争结合 TaPHR2，促进 TaPHR2 向细胞核转运，从而启动 PSR。此外，TaTCP6 与 TaPHR2 的相互作用能增强 TaPHR2 对 PSR 基因启动子的转录激活活性，而 TaTCP19 则对 TaPHR2 的活性有抑制作用。过表达 TaPHR2 能促进 PSR 基因的表达和磷积累，而 TaTCP6-SRDX 会抑制 TaPHR2 的活性，导致磷含量降低。
- TaSPX1 参与低磷条件下氮利用基因的抑制：低磷显著降低了高氮条件下氮利用基因的表达水平。研究发现，TaSPX1 过表达会显著抑制氮利用基因的转录，且在低磷条件下抑制作用更明显。低磷会减弱 TaSPX1 与 TaPHR2 的相互作用，但不影响其与 TaTCP6 的结合。推测低磷条件下，TaSPX1 与 TaTCP6 等氮信号通路中的正调控因子结合，抑制氮利用基因的表达，从而揭示了低磷抑制氮利用的潜在机制。
- TaTCP6 有助于氮磷饥饿适应，显著提高田间产量：在田间实验中，研究人员评估了 Mock 和 TaTCP6 转基因植株在正常和低氮低磷条件下的表现。结果显示，TaTCP6 过表达植株在两种条件下均能显著增加有效分蘖数，提高单株产量。而 TaTCP6-SRDX 植株在正常条件下生长严重受损，但在低氮低磷条件下这种影响减弱。这表明将 TaTCP6 表达水平提升至最佳，可显著提高田间小麦产量。
研究结论与讨论
本研究通过一系列实验，全面解析了 TaTCP6 在小麦氮磷利用中的关键作用。TaTCP6 作为一个响应外部硝酸盐的转录因子，不仅直接调控硝酸盐的吸收和同化，还通过与 TaSPXs 和 TaPHR2 的相互作用，提高了小麦对磷的利用效率。这一发现揭示了小麦氮磷协同利用的新机制，为理解植物营养调控网络提供了重要依据。
研究还发现，低磷会通过增强 TaSPXs 与 TaNLP3/4 等的相互作用抑制氮利用，而 TaTCP6 在这一过程中起到了核心调节作用。这对于深入理解植物在不同养分条件下的适应性机制具有重要意义。此外，研究结果表明，TaTCP6 在促进碳同化方面可能发挥重要作用，为揭示氮素供应提高作物光合效率的机制提供了新视角。
然而，该研究也存在一些有待进一步探索的问题。例如，SPXs 与 TCPs 相互作用的具体分子机制，尤其是 TaSPXs 与 TaTCP19 相互作用较弱的原因，需要借助结构生物学等方法深入研究。TaRLI1 在小麦中未检测到可变剪接事件，其原因及对小麦叶片角度调控的影响也有待进一步探究。另外，表观遗传修饰在氮磷信号响应中的作用机制尚不清楚，TaTCP6 与乙酰转移酶 TaHAG1 的相互作用在营养缺乏条件下的功能也需要深入研究。
总体而言，该研究为提高小麦氮磷利用效率、减少化肥投入提供了理论支持和潜在的基因靶点，有望推动可持续农业的发展，对农业生产具有重要的指导意义。
