近日,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物激素與基因編輯團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊The Plant Cell發(fā)表了題為“Natural Allelic Variation in a Modulator of Auxin Homeostasis Improves GrainYield and Nitrogen Use Efficiency in Rice”的研究論文,探明的N-DNR1-Auxin-OsARF分子模塊豐富了對(duì)氮素-生長(zhǎng)素-氮肥利用效率的認(rèn)識(shí),從分子水平上揭示了生長(zhǎng)素穩(wěn)態(tài)調(diào)控氮肥利用效率的機(jī)制。
氮肥是促進(jìn)作物產(chǎn)量增加的要素之一。然而,近年來(lái)氮肥使用量的攀升并未帶來(lái)農(nóng)作物產(chǎn)量的大幅提高,經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益反而呈下降趨勢(shì)。如何提高氮肥利用效率已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。培育氮肥高效利用的作物新品種是降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、大幅增加生態(tài)效益的有效途徑。本研究利用華粳秈74 為背景的水稻單片段代換系材料,結(jié)合重疊群作圖和圖位克隆技術(shù)從秈稻中分離到氮高效利用基因DNR1,該基因編碼吡哆醛磷酸依賴型的氨基轉(zhuǎn)移酶,負(fù)向調(diào)控生長(zhǎng)素的合成。已有報(bào)道證實(shí)生長(zhǎng)素能夠調(diào)控植物的氮肥利用效率,但具體分子機(jī)制尚不清晰。該研究發(fā)現(xiàn),外界氮源能夠通過(guò)調(diào)控DNR1基因的表達(dá)水平來(lái)改變水稻體內(nèi)的生長(zhǎng)素含量,從而影響生長(zhǎng)素信號(hào)途徑響應(yīng)基因OsARFs對(duì)下游氮代謝相關(guān)基因的激活能力,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻氮肥利用效率的調(diào)控。

Figure 1. Model of How Rice NUE and Yield are Regulated by the DNR1-Auxin-OsARFs Module in indica and japonica Rice Varieties.
DNR1的啟動(dòng)子序列在秈、粳水稻亞種間存在520 bp的差別,這導(dǎo)致秈稻與粳稻的氮肥吸收速率的顯著差異;秈稻中DNR1indica等位基因的低表達(dá)導(dǎo)致秈稻中生長(zhǎng)素含量升高,使之具有更高的氮肥利用能力。將粳稻品種和DNR1敲除系種植在不同施加氮肥量的大田中,DNR1敲除系均能增產(chǎn)8%-25%,這表明,DNR1在提高粳稻氮肥利用效率上極具應(yīng)用潛力和價(jià)值。
本項(xiàng)研究工作以南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士研究生張思宇、碩士研究生朱麗梅、沈成波和牛津大學(xué)吉喆博士為并列第一作者;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院李?yuàn)櫧淌诤腿A南農(nóng)業(yè)大學(xué)王少奎教授是本文共同通訊作者;中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究員、牛津大學(xué)Nicholas Harberd教授及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)吳巨友教授等參與了該研究的部分工作。本項(xiàng)研究得到了中國(guó)科協(xié)第五屆青年人才托舉項(xiàng)目、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進(jìn)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、中央高?;緲I(yè)務(wù)費(fèi)和BBSRC的資助。
文章鏈接:https://doi.org/10.1093/plcell/koaa037
