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近日，中国科学院南京土壤研究所施卫明团队狄东伟副研究员在New Phytologist发表题为Rapid induction of NH₄⁺ efflux in rice roots under high-ammonium stress and its association with varietal differences in ammonium tolerance and ammonium-utilization efficiency的观点论文。该研究首次明确水稻根系耗能外排是提升水稻耐铵能力及铵利用效率的限制性因素。
铵（NH₄⁺）是植物吸收的主要氮源之一，尤其在稻田等环境中占主导地位。然而，高浓度铵会对植物造成毒性，抑制根系生长，影响作物产量。尽管过去研究已发现植物存在多种应对铵毒的机制，但关于铵外排（NH₄⁺ efflux）过程，即NH₄⁺从根内组织向根外介质的释放过程， 是否是一种解毒策略还是加剧毒性的因素，一直存在争议。
针对这一难题，研究人员利用水稻根原生质体进行瞬时高铵处理，发现50秒内NH₄⁺外排速率飙升25倍，表明NH₄⁺外排是细胞对高铵环境的即时响应，而非细胞代谢不了才不得不发生的应对之策。进一步地，通过药理学实验发现，水通道蛋白抑制剂HgCl₂、ABC转运蛋白抑制剂Probenecid（Prd）和钾通道抑制剂TEA 均可显著抑制铵外排，其中HgCl₂效果最强，暗示着多种通道参与了NH₄⁺外排长红配资，但主要的通道可能是水通道蛋白。
对99个水稻品种的系统筛选发现，铵外排能力与根系生长指标显著负相关（Pearson r = -0.839, P < 0.01）。使用Prd抑制高外排品种C5的NH₄⁺外排后，其NH₄⁺吸收率提升23.65%，且15N积累显著增加，说明抑制外排可直接增强氮获取能力。研究进一步发现，NH₄⁺外排与铵利用效率（AUE）呈显著负相关，提示通过控制外排途径可同步提升作物耐铵性与氮效率。通俗的说，就是封住根细胞NH₄⁺外排这个漏洞，可望同步提升作物铵毒耐性和氮效率。
本研究首次在群体水平上揭示，NH₄⁺外排是限制水稻耐铵性及氮利用效率的一个关键生理过程。同时，研究也提示，传统上通过优化铵吸收（如精细调控AMT蛋白）和增强铵同化（如GS/GOGAT等代谢途径）等途径来提升氮效率的策略，之所以效果有限，可能在于未能同步考虑抑制NH₄⁺外排（例如靶向水通道蛋白、ABC转运蛋白等过程）这一环节。因此，将“优化吸收、增强同化与抑制外排”三者结合为一体的协同策略，应该是提升氮效率更为关键的路径。这些发现不仅为培育高耐铵、高氮效水稻品种提供了新靶点，也为理解植物在全球氮沉降背景下的生态适应机制提供了理论依据。
中国科学院南京土壤研究所副研究员狄东伟为第一作者；西澳大学Kronzucker HJ教授和中国科学院南京土壤研究所施卫明研究员为通讯作者。中国科学院的李婷婷、王萌副研究员、刘传发博士，江苏省农业科学院的吴晶晶副研究员，以及中关村NMT产业联盟的刘蕴奇也参与相关研究。本研究得到了国家自然科学基金重点项目，江苏省优秀青年基金项目等项目的资助。
文章链接：
http://doi.org/10.1111/nph.70590
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