《Plant Physiology and Biochemistry》：Comprehensive evaluation, morpho-physiological and transcriptional response involving the tolerance of Semi-wild soybean (
Glycine gracilis) seedlings to nitrogen starvation
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本研究针对氮肥过度使用导致的环境污染和氮素利用效率(NUE)低下的问题，系统开展了半野生大豆(Glycine gracis)氮饥饿(NS)耐受性研究。通过综合评价50个品种，发现V03基因型通过优化根系构型、维持氮代谢酶(NR、GS、GOGAT)活性及激活氮转运蛋白(NRTs/AMTs)和转录因子(TFs)表达，显著增强NS耐受性。该研究为豆科作物高NUE育种提供了新种质和理论依据。
氮是植物生长发育不可或缺的大量元素，是构成叶绿素、氨基酸、核酸等生命大分子的基本组分。在农业生产中，氮肥的施用显著提高了作物产量，但全球每年施用约8500-9000万吨化学氮肥也带来了氮素利用效率(NUE)低下、环境污染等一系列问题。培育氮高效作物品种已成为减少氮肥施用、推动农业可持续发展的关键策略。大豆作为重要的豆科作物，虽具固氮能力，但其苗期根系快速扩展阶段对氮需求高且共生固氮系统尚未完全建立，对氮饥饿(NS)尤为敏感。半野生大豆(Glycine gracilis)作为栽培大豆与野生大豆的中间类型，具有高发芽率、短生育期和强环境适应性等特点，是改良大豆品种的宝贵遗传资源。然而，其对NS耐受的生理与分子机制尚不明确。
为解析半野生大豆NS耐受机制，东北农业大学的侯思琪等研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究。该研究通过综合评价50个半野生大豆品种的NS耐受性，筛选出极端基因型，并整合形态生理、根系构型、氮代谢酶活及转录组分析，系统揭示了半野生大豆响应NS的适应机制。研究首次建立了半野生大豆苗期NS耐受性综合评价体系，发现地上部鲜重(SFW)、根冠比(RSR)、第二复叶SPAD值(SPAD2)和叶片硝酸盐含量(LNC)是评估NS耐受性的关键指标。研究进一步阐明耐受品种V03通过优化根系构型（增加主根长度、减少根分支）、维持氮代谢关键酶（硝酸还原酶NR、谷氨酰胺合成酶GS、谷氨酸合酶GOGAT）活性，以及激活氮转运、转录调控网络等分子途径，显著增强NS耐受性。该研究为豆科作物高NUE育种提供了新种质和分子靶点。
研究采用的主要技术方法包括：1）基于50份半野生大豆资源（来源于黑龙江省黑河市）的苗期表型系统评价（主成分分析、隶属函数分析及聚类分析）；2）根系扫描结合形态参数定量分析；3）氮代谢酶活性检测（NR、GS、GOGAT、GDH）；4）根组织转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）及差异表达基因(DEGs)功能富集分析；5）RT-qPCR验证关键基因表达。
3.1. 半野生大豆幼苗氮饥饿耐受性的综合评价
通过对50个半野生大豆品种10个形态生理性状的氮饥饿系数(NSC)分析，发现根相关性状（根长、根干重、根冠比）的NSC多大于1.0，而叶片性状（SPAD1/2、LNC）普遍低于1.0，表明NS对根系发育影响更显著。主成分分析确定SFW、RSR、SPAD2和LNC为评估NS耐受性的关键指标。隶属函数分析获得综合评价值(D值)，将品种分为5个耐受等级，其中V03（D值最高）为最耐受基因型，V46（D值最低）为最敏感基因型。
3.2. 氮饥饿下半野生大豆幼苗根系构型的响应
根系构型分析显示，耐受型V03在NS条件下主根长度显著增加、根分支数减少，而敏感型V46无显著变化。这表明V03通过优化根系构型（优先主根伸长）增强氮素获取能力，是其NS耐受的重要生理基础。
3.3. 半野生大豆幼苗氮代谢对氮饥饿的响应
氮代谢酶活性检测发现，NS条件下V03根和叶片中NR、GS、GOGAT活性下降幅度均小于V46，且V03根中GS活性在NS下保持稳定。这表明V03通过维持氮同化关键酶活性，增强氮代谢效率，是其耐受NS的生理机制之一。
3.4. 半野生大豆幼苗对氮饥饿的全局转录响应
转录组分析显示，V03在NS条件下差异表达基因(DEGs)数量（13,769个）显著多于V46（6,625个），表明耐受基因型具有更广泛的转录重编程。GO富集分析发现V03的DEGs显著富集于胁迫响应、调控功能及质膜相关条目；KEGG分析显示V03特异富集于MAPK信号通路和植物激素信号转导通路，提示其激活了更高效的信号调控网络。
3.5. 核心氮响应通路的转录重编程
V03的DEGs显著富集于"硝酸盐饥饿响应""铵转运""氮利用"等生物学过程，而V46无此特征。氮转运蛋白基因（如NPF4.6、NPF8.1）及氮代谢酶基因（如NIA1、NADH-GOGAT2、GS4）在V03中特异性上调或降幅较小，表明V03通过精细调控氮吸收与同化关键基因表达增强NS耐受性。
3.6. 转录因子基因对氮饥饿的转录特征
NS条件下，V03和V46分别鉴定到1,091和755个差异表达转录因子(TFs)，以ERF、bHLH、MYB、NAC家族为主。V03中TFs上调数量更多且变化更显著，其富集通路以"植物激素信号转导"为主，而V46富集于"植物-病原互作"通路，表明TFs介导的调控网络差异是基因型间NS耐受性分化的关键。
3.7. RT-qPCR验证差异表达
通过RT-qPCR对8个氮转运及转录因子基因进行验证，结果与转录组数据高度一致，证实了RNA-seq数据的可靠性。
研究结论与讨论部分指出，该研究建立了半野生大豆苗期NS耐受性综合评价体系，筛选出高耐受种质V03。其耐受性由多层次机制共同支撑：生理层面通过优化根系构型、维持氮代谢酶活性增强氮获取与同化能力；分子层面通过激活胁迫响应、信号转导、氮转运同化及转录调控网络实现高效转录重编程。该研究首次系统揭示了半野生大豆NS耐受的形态生理与分子调控网络，为大豆高NUE育种提供了新种质、关键基因及理论依据，对减少氮肥依赖、推动可持续农业发展具有重要意义。
