植物生长发育受多种环境因素影响，其中光和氮是至关重要的两个因素。光不仅是光合作用的能量来源，也可以作为信号调节植物的生长和发育；氮则是植物生长必需的大量元素，是众多生物大分子的构成成分。然而，光和氮如何协同调控植物生长发育，一直是人们关注的重要科学问题。
近日， The Crop Journal 发表了关陈龙同学题为 “Interplay of light and nitrogen for plant growth and development”的综述论文，全面总结了近年来有关光和氮在植物生理、代谢及分子层面的相互作用，以及这种相互作用在调控植物碳氮平衡和生长发育等方面的最新进展。
文章首先总结了光对植物氮吸收、同化和利用的调控以及氮对植物光合作用的调节。在拟南芥、小麦和水稻等植物中发现，光合产物如蔗糖和葡萄糖等能够作为“能量信使”调节氮的吸收和同化过程。此外，光信号通路关键组分HY5以及PIF4也对氮素的吸收利用有促进作用。同时，氮在植物光合作用中发挥着不可或缺的作用。当植物缺氮时，叶绿素、Rubisco和捕光蛋白减少，光能转换、电子传递和羧化效率同步下降，而充足的氮供应有助于增强叶绿体的稳定性，维持其正常功能。进一步发现，无论是硝酸盐、铵态氮等无机氮以及有机氮都对光合作用有重要的调控作用。
图1 光调控植物氮的吸收和利用，同时氮也能够调控植物的光合作用
此外，能量传感器TOR和SnRK1在整合光信号和氮信号中起关键作用。它们能够感知光信号和氮信号，通过调节一系列生理过程，如光合作用、叶绿体发育、蛋白质合成与降解、氮同化和氨基酸代谢等，维持植物碳氮平衡和正常的生长发育。如在水稻中，TOR-S6激酶1（S6K1）信号通路可增强半乳糖脂生物合成相关基因的表达，改善类囊体基粒结构，提高光合作用能力；而SnRK1可在能量受限的条件下磷酸化硝酸还原酶（NR），抑制其活性，从而调节氮代谢。
图2 TORC1和SnRK1作为感知光信号和氮信号的中心枢纽，整合这些信号用以调节氮的吸收利用和光合作用
植物激素，如生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、油菜素内酯和乙烯等也在光和氮调控植物生长发育过程中也起着重要作用。光和氮能够影响植物激素的合成和信号转导，进而调节植物的生理和生化过程，保证其正常生长发育。以生长素为例，在拟南芥中，外源葡萄糖可促进生长素合成基因YUC2、CYP79B2等的表达，而果糖则下调生长素合成基因的表达；在豌豆中，海藻糖可通过促进生长素生物合成基因TAR2的表达来促进生长素积累，而生长素能够促进光合作用及氮吸收利用相关过程。
图3 光和氮通过植物激素及其信号途径来调控氮素的吸收利用和光合作用
光和氮互作协同调控植物碳氮平衡和生长发育的机制是复杂和多层级的，尽管目前研究发现了多个受光氮调控的关键基因和相关调控通路，并且这些基因和通路在调节植物对环境变化的响应、维持碳氮平衡方面发挥着重要作用，但仍缺乏系统性深入研究，而未来多组学、交叉学科技术及系统性平台的发展将有助于相关涉及地上部和地下部交流的多通路、多层次研究。
华南农业大学的博士生关陈龙为第一作者，张栋副教授为共同第一作者。该工作得到了海南种子实验室（B21HJ0003）、国家自然科学基金（U23A20185）和海南人才团队项目的支持。
文章引用：
Guan C, Zhang D, and Chu C* (2025) The interplay of light and nitrogen in plant growth and development. Crop Journal doi: 10.1016/j.cj.2025.01.005.
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