新研究揭示過(guò)量氮肥導(dǎo)致水稻減產(chǎn)的分子機(jī)制

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過(guò)量施用氮肥反而會(huì)降低水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、中國(guó)工程院院士萬(wàn)建民團(tuán)隊(duì)首次在分子遺傳學(xué)層面闡明了過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致水稻無(wú)效分蘗形成的機(jī)理，從水稻自然群體中發(fā)掘了氮高效優(yōu)異單倍型轉(zhuǎn)錄因子OsGATA8-H，同時(shí)結(jié)合基因編輯和回交育種技術(shù)創(chuàng)制了優(yōu)異氮高效育種材料。6月13日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上。

單位面積有效分蘗數(shù)是決定水稻單產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。上世紀(jì)60年代以來(lái)，氮肥的大幅投入促進(jìn)了糧食單產(chǎn)的提升。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致無(wú)效分蘗過(guò)量生長(zhǎng)，抑制水稻有效分蘗的形成，反而會(huì)降低水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。

該研究圍繞以O(shè)sGATA8-H為核心的分子調(diào)控模塊，闡明了氮調(diào)控有效分蘗形成的重要科學(xué)問(wèn)題?！按舜伟l(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子OsGATA8-H類(lèi)似調(diào)控銨離子轉(zhuǎn)運(yùn)的一道‘閘門(mén)’?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒛暇┺r(nóng)大教授王春明說(shuō)，這道“閘門(mén)”可以“雙向調(diào)控”氮素利用效率，在低氮條件下，“閘門(mén)”通過(guò)增加OsAMT3.2表達(dá)，促進(jìn)水稻銨吸收；在高氮條件下，這道“閘門(mén)”又能適當(dāng)提高OsTCP19的表達(dá)，促進(jìn)更多分蘗發(fā)育成有效分蘗，減少無(wú)效分蘗的形成。

田間表型觀(guān)察與數(shù)據(jù)收集。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又通過(guò)基因組編輯和基因聚合技術(shù)，將優(yōu)異單倍型基因OsGATA8-H導(dǎo)入現(xiàn)代栽培品種中，為水稻氮高效育種、減少化肥使用，推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了方向。

這一成果前后歷經(jīng)了十余年時(shí)間。該團(tuán)隊(duì)自2013年起，從1萬(wàn)份育種材料中精心篩選，挑選出了1000份性狀優(yōu)異的親本。進(jìn)一步篩選出175份材料進(jìn)行全基因組測(cè)序分析，最終找到了OsGATA8-H這道關(guān)鍵的“閘門(mén)”，并連續(xù)3年田間實(shí)驗(yàn)，通過(guò)基因敲除和過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)完成了從基因到表型的雙向驗(yàn)證。

德國(guó)萊布尼茨植物遺傳和作物研究所所長(zhǎng)Nicolaus von Wiren評(píng)價(jià)：“研究人員鑒定了氮高效關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GATA8，并探索了等位基因多樣性，是一項(xiàng)系統(tǒng)深入的原創(chuàng)性成果。在現(xiàn)代水稻品種中發(fā)現(xiàn)了優(yōu)異單倍型GATA8-H，將對(duì)水稻氮高效遺傳育種研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！?/p>

該成果獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和江蘇省生物育種鐘山實(shí)驗(yàn)室等資助。