水稻长期生长在淹水环境下，土壤由于缺氧而硝化作用受到抑制，因此在稻田土壤中铵态氮是主要的氮源。另一方面，土壤中的铵态氮通常呈现局部缺乏或过量的不均匀分布态势。因此，研究水稻对铵态氮供应状况的响应及其吸收的分子机制对于深入理解水稻的氮素调节特征，对提高其氮素利用效率具有重要意义。　　首先，在生境中铵态氮养分的分布以及供应强度不均匀的情况下，水稻会启用哪些应对措施？这些过程涉及到哪些关键基因？目前在这方面，尤其是针对早期响应的研究还有些不足。　　其次，生产上常常通过大量甚至过量投入氮素化肥以获得水稻高产。这样使得施肥后的短时期内稻田土壤的铵态氮出现局部过量的现象。相应地，水稻体内有可能积累或储备超过其同化量的游离铵。而水稻作为比较公认的喜铵、耐铵植物，这一现象是否也会发生？一般来说，游离铵的过量积累往往导致对植物生长的抑制作用，那么水稻又是如何应对的？　　第三，植物对铵的吸收转运，现有的认知认为该过程主要由一类专门的铵吸收转运系统（Ammonium Transporter，AMT）承担。水稻基因组中存在10个以上的AMTs，它们是如何运作的？又是如何进行调控以适应铵态氮供应状况的？目前，这些还缺乏较系统的研究。　　为初步解析上述科学问题，本研究通过水培试验模拟水稻田间铵态氮的非均匀供应以及体内可能出现的铵积累状况，利用第二代高通量转录组测序技术解析其内在的响应过程与基因;通过电生理、酵母表达系统以及过表达技术重点研究了水稻铵转运体OsAMT1;1的功能特征、作用机制与调控。主要研究结果如下:　　1)通过Illumina Hiseq2000转录组测序，短期缺氮4小时条件下，共鉴定了862个差异表达基因（Differentially expressed genes，DEGs），其中根部和地上部分别有394和468个差异表达基因。而在充足-盈余供应(10 mmol/L NH4+)条件下，共有178个差异表达基因（根部63个/地上部115个）;进一步分析表明，乙醛脱氢酶（aldehyde dehydrogemse，ALDH）（NAD+）在应对外部高铵环境时似乎起到了重要作用。对差异表达基因的功能类型归纳表明，缺氮处理4小时，碳、氮代谢相关基因的表达均有减弱;而在高铵（盈余）处理中，根部碳、氮代谢相关基因下调（以减缓铵的持续吸收）;而地上部碳、氮代谢相关基因则显著上调，以应对体内过量铵的积累。因此，这些结果表明，碳氮代谢相关基因的协同调控可能是水稻响应铵态氮供应状况的一个重要特征;而且这一调控可以发生在供氮态势改变的几个小时之内。　　2)通过在根外供应高铵（10 mmoVL）的同时，添加1mmo l/L谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）专一性抑制剂蛋氨酸砜亚胺methionine sulfoxim ine(MSX)以阻断NH4+同化的主要途径，模拟水稻内环境游离铵积累的状况。转录组测序结果表明，在根部和地上部分别有多达3577和2215个DEGs参与内部高铵胁迫的响应。水稻铵同化路径基因的表达水平大幅下调并启动了活性氧清除机制、磷酸化机制等大量基因以应对内环境铵积累的胁迫，同时，铵转运体基因1;1，1;2及3;2的丰度变化表明铵吸收系统相关基因此时也参与了这一过程。因此，相比外部高铵胁迫而言，水稻启动了更为复杂、广泛的响应网络来应对内环境高铵的胁迫。　　3)利用铵吸收缺陷型酵母突变株31019b作为表达系统，以14C-标记的甲基铵(methylammonium，MeA+)作为NH4+的类似物进行吸收特征测定是目前广为应用的AMT转运体功能研究的主要体系之一。但是MeA+测出的数据并不能直接代表NH4+的吸收，需要经过一个换算过程，中间会产生很大的误差;另外越来越多的研究表明，不同的植物AMT对MeA+的通透能力存在极大差异，有的甚至不能通透这一有机类似物，因此以往14MeA+替代NH4+的研究方法在一定程度上有较大局限性。也有利用31019b为吸收宿主，13NH4+为吸收底物进行AMT功能的研究，然而13N的半衰期太短，只有9.98min，不利于同位素丰度的测量。为此，本研究建立了稳定性同位素15NH4+吸收、利用Flash-EA元素分析仪和DeltaV同位素质谱联用仪直接测定样品15N积累的酵母AMT研究体系。通过利用高密度细胞（高度浓缩40 OD）样品可保证该方法的测定灵敏度、准确性和重现性。利用这一方法，我们研究了水稻铵转运体OsAMT1;1的吸铵动力学特征，其Km=129±20μmol/L，而50倍浓度的MeA+仅相当于NH4+吸收速率的16％。OsAMT1;1介导的15NH4+吸收在不同pH下没有显著差异，表明该吸收系统可能不依赖于质子的偶联或调控。添加100μmol/L磷酸化激酶抑制剂geniste in或FK506后，重组酵母对15NH4+的吸收分别下降了33％和37％，表明OsAMT1;1介导的铵吸收过程受到上述磷酸化过程的调控。与此同时，通过酵母功能互补实验，验证了OsAMT1;1在有限（0.2 mmol/L）NH4+供应状态下可有效恢复酵母的生长。　　4)在非洲爪蟾蛙卵表达系统中通过双电极电压钳技术（two-electrode voltageclamp，TEVC）进一步研究了OsAMT1;1的吸铵特征与调控机制。OsAMT1;1可介导专一性的铵吸收电流，MeA+可产生相当于等浓度NH4+电流大小的20％，这与在酵母体系中观测到的结果一致，表明OsAMT1;1除能介导吸收铵外，对MeA+也有轻微的通透性。OsAMT1;1所产生的铵电流随铵浓度增加而增加至饱和状态，其Km=110±19μmol/L，这与酵母的15NH4+吸收所得结果（129μmol/L）较为一致，而明显高于以往报道的多数AMT1;1的Km值（几～五十μmol/L），表明水稻OsAMT1;1是一个有较低亲和力（较大通量）的铵吸收系统，但仍属于高亲和系统的范畴（Km＜1 mmol/L）。在不同pH（5.4，6.4或7.4）下OsAMT1;1介导产生的电流大小没有显著差异;如上所述，在酵母中，酸性pH(4.8)或中性pH(6.8)条件下，15NH4+吸收速率几乎没有差异;同时胞内质子梯度淬灭剂DEA既不影响重组酵母的生长也不影响其对15NH4+的吸收，这些结果表明OsAMT1;1的作用模式不依赖于质子（或质子梯度），是一个铵的单向转运体。　　5)利用MSX阻断NH4+同化以模拟细胞内游离铵积累的现象，分别在酵母（长期累积效应）和蛙卵（瞬间效应）表达系统中研究了OsAMT1;1的反馈调控特征。在2 mmo/L NH4+为唯一氮源的生长平板上，转化OsAMT1;1的重组酵母24 h内开始生长，直至72 h均生长良好，而同条件下添加20μmol/L MSX的平板上，重组酵母直至72h才出现微弱生长现象，生长受抑制的原因可能是i.游离铵积累而下游铵氨基酸合成受阻导致酵母无法正常生长，ii.由于胞内铵积累导致的反馈抑制使得酵母吸收的铵不足所致。在蛙卵，1 mmol/L MSX处理10min后，OsAMT1;1电流大小较处理前减少了31％，表明该吸收系统可能受到胞内NH4+积累的抑制作用。综合酵母的长期效应和蛙卵中的瞬间抑制效果，OsAMT1;1介导的铵吸收受其底物NH4+本身的反馈抑制调节。　　6)通过转基因技术创建了OsAMT1;1的过表达水稻株系，并对该遗传材料进行了初步研究。在低铵（0.5 mmol/L NH4+）固体平板上，转OsAMT1;1水稻苗期根长较野生型有显著增加，但对侧根的发生并无明显贡献。在水培低铵(0.02mmol/L)或高铵（20 mmol/L）处理下，过表达株系与野生型之间的含氮量均无显著差异;进一步利用非损伤微测技术研究了上述水稻株系的铵吸收速率（测试溶液中含0.05 mmol/L NH4+），发现低铵处理过的过表达株系和野生型的吸铵速率存在显著差异（吸铵速率分别为-110pmol cm-2s-1和-70pmol cm-2s-1），而高铵（20mmol/L）处理过的过表达株系的吸铵速率反而比野生型有降低的趋势，但差异未达到显著水平。这些结果表明，过表达OsAMT1;1基因可能仅在水稻缺铵情况下有所贡献，而在内环境铵充足或过量的情况下并无显著效果，甚至对铵的吸收有一定的抑制作用。在田间对OsAMT1;1T2代超表达株系的农艺效果初步验证的结果表明，正常或充足供应氮素养分条件下，过表达株系的单穗平均穗长及穗重与野生型相比没有显著差异，而过表达株系的千粒重甚至比野生型降低了2.7％，水稻产量并没有得以提高。究其原因，可能反映了OsAMT1;1受内环境NH4+反馈调控的特征。　　综上所述，本研究解析了水稻应对根外早期供铵状态变化的碳代谢协调机制，发现了水稻应对内环境高铵是一极为复杂的响应系统，阐明了水稻OsAMT1;1是一相对低亲和力的NH4+单向吸收系统，其吸铵功能受内环境NH4+的反馈抑制调节。在现有氮肥足量投入的生产条件下，单一过表达OsAMT1;1对提高氮素利用效率、增加产量的贡献有限，需同时考虑匹配NH4+利用的其它环节。