生長素穩態調節因子的等位基因變異提高水稻產量和氮素利用率

氮肥是促進作物產量增加的要素之一。然而，近年來氮肥使用量的攀升並未帶來農作物產量的大幅提高，經濟效益和生態效益反而呈下降趨勢。如何提高氮肥利用效率已成為農業生產中亟待解決的問題。培育氮肥高效利用的作物新品種是降低生產成本、減少環境汙染、大幅增加生態效益的有效途徑。

本研究利用華粳秈74 為背景的水稻單片段代換系材料，結合重疊群作圖和圖位克隆技術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移酶，負向調控生長素的合成。已有報道證實生長素能夠調控植物的氮肥利用效率，但具體分子機制尚不清晰。該研究發現，外界氮源能夠透過調控DNR1基因的表達水平來改變水稻體內的生長素含量，從而影響生長素訊號途徑響應基因OsARFs對下游氮代謝相關基因的啟用能力，最終實現對水稻氮肥利用效率的調控。本研究揭示的N-DNR1-Auxin-OsARF分子模組豐富了對氮素-生長素-氮肥利用效率的認識，從分子水平上揭示了生長素穩態調控氮肥利用效率的機制。

Figure 1. Model of How Rice NUE and Yield are Regulated by the DNR1-Auxin-OsARFs Module in indica and japonica Rice Varieties.

DNR1的啟動子序列在秈、粳水稻亞種間存在520 bp的差別，這導致秈稻與粳稻的氮肥吸收速率的顯著差異；秈稻中DNR1indica等位基因的低表達導致秈稻中生長素含量升高，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8%-25%，這表明，DNR1在提高粳稻氮肥利用效率上極具應用潛力和價值。

本項研究工作以南京農業大學農學院作物遺傳與種質創新國家重點實驗室為第一單位。南京農業大學農學院博士研究生張思宇、碩士研究生朱麗梅、沈成波和牛津大學吉喆博士為並列第一作者；南京農業大學農學院李姍教授和華南農業大學王少奎教授是本文共同通訊作者；加州大學聖地亞哥分校趙雲德教授、中科院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究員、牛津大學Nicholas Harberd教授及南京農業大學吳巨友教授參與了該研究的部分工作。本項研究得到了中國科協第五屆青年人才託舉專案、南京農業大學高層次人才引進啟動經費、中央高校基本業務費和BBSRC的資助。

文章連結： https：//doi。org/10。1093/plcell/koaa037