2月26日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李?yuàn)檲F(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士傅向東和英國(guó)牛津大學(xué)吉喆博士在《科學(xué)》發(fā)表研究論文，首次系統(tǒng)解析了水稻在低氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)根冠協(xié)同發(fā)育的分子機(jī)制，并鑒定出可同步提升氮肥利用效率與產(chǎn)量的OsWRI1a優(yōu)異單倍型，為“減肥增效”型水稻育種提供了重要的理論創(chuàng)新與基因資源。 長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界普遍認(rèn)為，當(dāng)?shù)毓?yīng)不足時(shí)，植物會(huì)啟動(dòng)一種“舍上保下”的生存模式，即通過(guò)促進(jìn)根系生長(zhǎng)來(lái)增強(qiáng)養(yǎng)分獲取能力，但這往往是以犧牲莖葉生長(zhǎng)和產(chǎn)量為代價(jià)的。如何解決這一矛盾，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色高效發(fā)展的核心難題。 該研究從一個(gè)在氮供應(yīng)波動(dòng)下仍能保持穩(wěn)定根冠比的突變體入手，鑒定到核心調(diào)控基因OsWRI1a。研究發(fā)現(xiàn)，在氮匱乏條件下，OsWRI1a能促進(jìn)根系與地上部協(xié)同生長(zhǎng)，如同為根系發(fā)育開(kāi)啟了“精準(zhǔn)導(dǎo)航”，在確保光合產(chǎn)物優(yōu)先供給籽粒的同時(shí)，優(yōu)化根系空間構(gòu)型，從而跳出傳統(tǒng)“削莖補(bǔ)根”策略導(dǎo)致的減產(chǎn)陷阱。 在根部，OsWRI1a發(fā)揮雙重作用。一方面，它作為轉(zhuǎn)錄因子直接激活氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)，從而提升氮吸收與利用。另一方面，它被李?yuàn)檲F(tuán)隊(duì)此前發(fā)現(xiàn)的F-box蛋白R(shí)NR10介導(dǎo)的多泛素化修飾降解。OsWRI1a充當(dāng)“調(diào)解員”，競(jìng)爭(zhēng)性地抑制RNR10與生長(zhǎng)素合成抑制因子DNR1的結(jié)合，從而干擾RNR10對(duì)DNR1的單泛素化修飾穩(wěn)定作用，最終提高生長(zhǎng)素水平，驅(qū)動(dòng)根系響應(yīng)氮信號(hào)進(jìn)行形態(tài)重塑。 更有趣的是，RNR10的泛素連接酶活性受到E2及SKP復(fù)合體構(gòu)象變化的動(dòng)態(tài)調(diào)控，能在“穩(wěn)定DNR1”和“降解OsWRI1a”兩種模式間靈活切換，確保根系發(fā)育與氮素吸收在時(shí)間和空間上的高效協(xié)同，展現(xiàn)了植物在低氮環(huán)境下運(yùn)籌帷幄的系統(tǒng)性智慧。 OsWRI1a的功能并非“一刀切”，而是呈現(xiàn)出鮮明的時(shí)空特異性。這一發(fā)現(xiàn)揭示了植物如何通過(guò)精細(xì)的蛋白互作網(wǎng)絡(luò)，將氮信號(hào)與分蘗發(fā)育巧妙整合，為理解作物器官如何響應(yīng)環(huán)境變化提供了嶄新的視角。 研究團(tuán)隊(duì)將OsWRI1a的優(yōu)異等位變異OsWRI1aHap.I，導(dǎo)入粳稻品種“武運(yùn)粳7號(hào)”。經(jīng)過(guò)多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)，改良后的種質(zhì)在低氮條件下依然能保持根冠平衡，氮肥利用效率和產(chǎn)量雙雙顯著提升。 該研究從理論層面顛覆了“低氮必抑冠層”的傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，構(gòu)建了以“根—冠協(xié)同”與“碳分配穩(wěn)態(tài)”為核心的植物環(huán)境適應(yīng)新機(jī)制。這一成果不僅為協(xié)調(diào)作物氮肥減施與穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)提供了創(chuàng)新性的理論依據(jù)，還為作物氮高效育種提供了基因資源和中間材料，助力農(nóng)業(yè)向綠色、高效方向轉(zhuǎn)型。 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生沈成波，牛津大學(xué)吉喆博士和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鐘山青年研究員焦武博士為論文共同第一作者。吉喆、傅向東和李?yuàn)櫈檎撐耐ㄓ嵶髡?。研究得到了?guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省雙創(chuàng)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、江蘇省優(yōu)秀博士后人才資助計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

 相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384

【中國(guó)科學(xué)報(bào)】打破“低氮必抑冠”：根冠協(xié)同發(fā)育助力“減肥增效”

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