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在植物生长中，氮（N）分配机制不明影响 N 肥高效利用。云南农业大学等机构研究人员以烟草为对象，通过多组学分析研究氨基酸（AA）代谢通路对 N 分配的调控。结果发现相关通路和关键基因的作用。该研究为优化 N 管理、提高作物产量提供依据。
在植物的生长过程中，氮元素就像一座无形的指挥塔，指挥着众多生理进程。它不仅参与光合作用、呼吸作用，还是蛋白质合成的关键原料。在植物体内，氮以多种形态存在，比如水溶性氮（
NW）、十二烷基硫酸钠可溶性氮（
NS）、十二烷基硫酸钠不溶性氮（
Nin?SDS）和非蛋白质氮（
NNP），每种形态都肩负着独特使命，影响着植物的生长、发育和最终产量。然而，长期以来，不同氮形态在植物体内的分配机制却如同迷雾，一直未被完全揭开。尽管科研人员对氮的吸收和同化机制有了不少了解，但对于氮分配的分子机制，尤其是在烟草中的研究，仍存在大量空白。这种知识的缺失，限制了农业中氮素的高效利用，也影响了作物产量的提升和农业的可持续发展。
为了突破这一困境，云南农业大学等机构的研究人员勇敢地踏上探索之旅，针对烟草展开了深入研究，并将成果发表在《BMC Plant Biology》上。他们聚焦于氨基酸（AA）代谢通路，试图揭开其在氮分配过程中的神秘面纱，为优化氮管理策略、提高作物生产力提供理论依据。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们选择了两个具有不同氮利用效率的烟草品种（K326 和 Hongda）进行盆栽实验，设置不同氮处理组。通过对不同生长阶段（50、75 和 100 天）的烟草植株进行采样，分析各器官（根、茎、叶）的氮形态、生物质积累和氮积累情况。同时，利用转录组测序技术，研究不同条件下基因表达的变化。运用加权基因共表达网络分析（WGCNA），构建基因共表达网络，筛选出与氮分配相关的关键模块和基因12。
研究结果如下：
- 氮和生物质的积累：通过单因素方差分析（ANOVA）发现，不同处理、品种、生长阶段和器官在生物质和氮积累上存在显著差异。施加 4g 和 8g 纯氮，分别使生物质增加 52.07% 和 76.14%，氮积累增加 58.06% 和 96.12%。随着生长阶段推进，生物质和氮积累不断增加。叶片中的生物质和氮积累占比最高，Hongda 品种的生物质和氮积累量均高于 K326 品种34。
- 氮在不同植物形态中的分布：不同处理、品种和器官间，氮分布存在显著差异。增加氮施用量，叶片中Nin?SDS先增后减，NW和NS则相反；茎中NW和NS随氮增加而增加；根中各氮形态比例随氮增加而降低。不同生长阶段，叶片中NS和NNP比例下降。Hongda 品种茎和叶中NW分布更多，K326 品种茎中NNP、叶中Nin?SDS分布更多56。
- 转录组分析：对不同处理、生长阶段和品种的烟草进行转录组测序，结果显示基因表达在不同氮条件、器官、阶段和品种间差异显著。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，氮处理会调节不同器官的代谢通路，如叶片中的氨基酸生物合成、谷胱甘肽代谢等。基因本体（GO）富集分析发现，氮处理影响不同器官的代谢和转运功能，如叶片中的糖基转移酶活性、光系统组件等78。
- WGCNA 分析：利用 WGCNA 分析，鉴定出 16 个模块，其中棕色、绿色和品红色模块分别与Nin?SDS、NW和NS显著正相关。进一步分析发现，棕色模块与苯丙氨酸代谢通路（ko00360）相关，绿色模块与丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路（ko00250）相关，品红色模块与甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路（ko00260）相关。还确定了各模块中的关键枢纽基因，如棕色模块中的 LOC107788402 和 LOC107762576 等910。
- 调控因素分析：Mantel 测试表明，基因表达与氮施用、生长阶段、器官类型和品种显著相关。在苯丙氨酸代谢通路中，氮施用影响基因表达，Hongda 品种部分基因表达更高；在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路中，氮施用与部分基因呈正负相关，Hongda 品种部分基因表达更高；在甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路中，氮施用抑制基因表达，K326 品种部分基因表达更高1112。
综合研究结果和讨论部分，该研究揭示了氨基酸代谢通路在烟草氮分配中的关键调控作用。苯丙氨酸代谢通路促进Nin?SDS分配，有助于植物结构发育；丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路影响NW分配，与植物呼吸相关；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路调控NS分配，影响植物光合作用。这些发现不仅加深了人们对植物氮代谢的理解，还为优化氮管理策略提供了理论支持。通过调控这些关键代谢通路和基因，有望提高作物的氮利用效率，减少氮素浪费，促进农业的可持续发展。然而，研究也存在一定局限性，缺乏代谢组学和蛋白质组学分析，未来研究可整合多组学技术，进一步深入探究氮分配的调控机制。
