棉花作为全球范围内极为重要的天然纤维作物，其应用范围广泛，涵盖了纺织、医疗、食品以及畜牧等多个关键领域。在棉花的生长过程中，氮素作为核心营养元素，对其发育至关重要。合理施用氮肥不仅能够显著增加棉花的产量，还能提升棉纤维的品质，这对于实现棉花的高产与优质具有决定性的影响。棉花获取氮素的方式主要有两种：一是通过根系直接从土壤中吸收，二是通过与丛枝菌根（AM）真菌的共生关系间接获取。AM真菌通过其庞大的根外菌丝网络，将土壤中的铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃⁻）转运至根内菌丝，并分别通过氨转运蛋白AMT3.1和硝酸盐转运蛋白NPF4.5将氮素传递给宿主植物。研究表明，铵态氮是AM真菌向植物根系提供氮素的主要形式。这些被吸收的铵态氮会迅速在根系中通过谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase, GS）的同化作用转化为谷氨酰胺，这种含氮化合物既可以作为氮素的储存形式，也可以转运至地上部分参与植株的生长发育过程。然而，目前关于AM真菌介导的氮素同化代谢途径及其调控机制仍不明确，有待进一步深入研究。

近日，河南大学张骁教授团队在植物学权威期刊《New Phytologist》上发表以“Glutamine synthetase GhGLN1.5 regulates arbuscular mycorrhizal symbiosis and Verticillium wilt resistance in cotton by modulating inorganic nitrogen assimilation”为题目的研究论文。该研究揭示了AM真菌通过WRI3-GLN1.5调控棉花氮同化能力，进而增强棉花生长和黄萎病抗性的作用机制。

科研团队发现了一种名为GhGLN1.5的谷氨酰胺合成酶基因，该基因在AM真菌的作用下被特异性地激活表达。通过使用GhGLN1.5自身启动子进行的亚细胞定位研究揭示，该基因在丛枝结构中具有特异性表达。实验显示，无论是通过基因沉默还是敲除GhGLN1.5，都会显著减少AM真菌在棉花根系的定植，而该基因的超表达则能显著增强AM真菌与棉花的共生关系，这证明了GhGLN1.5在AM真菌共生过程中的核心调控角色。深入研究还发现，GhGLN1.5的沉默不仅阻碍了AM真菌依赖的氮吸收路径，还干扰了GS/GOGAT循环介导的氮代谢流向。此外，GhGLN1.5的沉默显著降低了AM真菌定植棉花对黄萎病的抵抗力，而对未定植AM真菌的棉花则无显著影响。这些发现表明，AM真菌通过特异性地诱导GhGLN1.5的表达，不仅提升了棉花的氮同化能力，还显著增强了棉花对黄萎病的抗性。

为了进一步探索GhGLN1.5的生物学功能，研究团队通过一系列体内外实验验证了该蛋白的酶学特性，证实其具有将谷氨酸和铵态氮转化为谷氨酰胺的代谢活性。异源超表达GhGLN1.5能显著提高植物的谷氨酰胺合成酶（GS）活性，并促进植物地上部分的生长。为了揭示GhGLN1.5的转录调控机制，研究团队采用酵母单杂交筛选技术，鉴定出一个受AM真菌特异性诱导的AP2类转录因子GhWRI3。通过启动子截短分析、EMSA及LUC/REN等实验，证实GhWRI3能够特异性地结合到GhGLN1.5启动子区的AW-box顺式作用元件上，从而正向调控GhGLN1.5的转录表达。

Working model diagram of GhGLN1.5 in mycorrhizal cotton roots.

综上所述，本研究发现谷氨酰胺合成酶GhGLN1.5介导的氮同化过程在AM真菌调控氮吸收途径中的核心作用，提出了AM真菌通过增强宿主氮素营养状态进而提高棉花黄萎病抗性的作用机制。这一研究成果不仅拓展了我们对AM真菌-植物共生体系中氮素吸收与代谢调控机制的理解，也为探索植物抗病性与营养代谢之间的复杂关系提供了新的理论支撑。

河南大学国家重点实验室张骁教授为本论文的通讯作者，河南大学国家重点实验室青年教师张翔宇、博士研究生温静赏和贾双杰为论文共同第一作者。该研究受到国家自然科学基金，河南省自然科学基金和中原学者工作站的资助支持。