藜麦(Chenopodium quinoa Willd.),为苋科(Amaranthaceae)藜属一年生双子叶植物,具备优良的抗逆性(耐盐碱、耐干旱、耐低温、耐贫瘠),能够在边际土壤上种植。氮(N)是植物必需的矿物质营养素,被认为是限制作物产量和品质的关键因素。NPF和NRT2基因家族调控陆生植物对氮素的吸收。NRT2属于高亲和硝酸酸转运蛋白,介导低浓度硝酸盐的吸收;NPF属于低亲和硝酸盐转运蛋白,在外部硝酸盐浓度大于1mmol/L时发挥作用,其中At NPF2.13位于韧皮部将硝酸盐从老叶重新输送到需要氮的组织,对硝酸盐的再利用十分重要。本研究首先在藜麦全基因组中鉴定了NPF和NRT2基因家族成员,并进行了系统进化、基因结构、染色体定位和启动子功能预测等生物信息学分析以及在不同组织和非生物胁迫下的表达模式分析;其次比较了不同基因型藜麦对低氮胁迫的生理及分子响应特征;最后进一步筛选出三个与拟南芥AtNPFPLX5622溶解度2.13同源性较高的基因进行了深入研究。主要结果如下:(1)藜麦基因组中含有104个NPF和16个NRT2基因。CqNPF被划分为8个亚群,同一亚群的基因结构和蛋白保守基序相似;共线性分析表明两个家族成员进化扩张主要以片段复制为主要驱动力且受到纯化选择的影响;启动子元件分析表明两个家族成员含有非生物胁迫、生长发育和激素应答元件。(2)不同组织表达模式显示:藜麦NPF7亚群主要在顶端分生组织和花序中表达,NPF5亚群主要在幼苗阶段表达,NPF1和NPF2亚群主要在花和未成熟的种子、叶柄和叶中高表达,NPF6、NPF8和NPF4亚群在各个组织中均有表达;CqNRT2中有2个组成型表达和3个组织特异性表达基因。非生物胁迫表达模式显示,CqNPF和CqNRT2基因家族对干旱、盐、高温和低磷酸盐胁迫均有响应,但在地上组织和地下组织中存在差异。(3)比较不同基因型藜麦对低氮胁迫的生理及分子响应结果显示:两个品种都通过增加抗氧化酶和氮同化酶的活性、渗透调节物质脯氨酸和叶绿素含量来应对低氮胁迫的氧化损伤,CqNPF2和CqNRT2基因分别在叶片和Cell death and immune response根中的表达量显著上调。不同基因型维持生长发育的能力不同,沿海低地品种Faro对低氮胁迫的耐受性更强。(4)在拟南芥异源过表CqNPF2.13、CqNPF2.19、CqNPF2.21基https://www.selleck.cn/products/Vorinostat-saha.html因及突变体回补结果显示,过表达株系对低氮胁迫的适应性更强,叶面积和株高优于野生型,抽薹时间更早,突变体回补株系的生长发育表型可以回复到野生型的水平。过表达株系的叶绿素含量和氮同化酶(GS和NR)的活性较野生型显著提高。综合上述实验结果表明,不同基因型藜麦对低氮胁迫的生理及分子响应存在差异,异源过表达拟南芥的表型及生理指标检测结果表明CqNPF2.13、CqNPF2.19和CqNPF2.21可以增强藜麦对低氮的耐受性。该研究结果可用于选育氮利用效率高的藜麦品种及作物耐低氮改良,减少氮肥使用,提高盐碱地利用率具有重要的潜在应用价值。