Advanced Science | 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)徐國華團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)氮肥調(diào)控水稻抽穗期的雙基因“蹺蹺板”模塊

生育期的精準(zhǔn)調(diào)控與氮素的高效利用是決定作物產(chǎn)量與資源利用效率的核心。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，充分的氮素供應(yīng)是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)，然而氮肥過量不僅增加生產(chǎn)成本與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而且會(huì)導(dǎo)致“貪青晚熟”，造成作物減產(chǎn)降質(zhì)。水稻抽穗期（決定了生育期）對(duì)氮肥的響應(yīng)呈現(xiàn)U-型模式，即與中等供氮水平相比，過低（缺乏）或過高（過量）氮素均會(huì)延遲抽穗，但這一現(xiàn)象背后的分子遺傳機(jī)制尚不明確。

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)徐國華團(tuán)隊(duì)在國際權(quán)威期刊Advanced Science發(fā)表了題為U-Shaped Response of Flowering Time to Low and High Nitrogen via a Transcription Feedback Loop in Rice的研究論文，揭示了一個(gè)由氮調(diào)控開花促進(jìn)因子Nhd1與開花抑制因子Ghd7構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄負(fù)反饋調(diào)控環(huán)，作為精密的分子開關(guān)適應(yīng)不同供氮狀況，調(diào)控水稻抽穗期對(duì)氮肥響應(yīng)的U-型模式。

研究表明，在氮素缺乏條件下，被誘導(dǎo)表達(dá)的Ghd7通過抑制Nhd1的轉(zhuǎn)錄，從而推遲抽穗；在氮素過量條件下，其同化產(chǎn)物谷氨酰胺誘導(dǎo)Nhd1，反過來激活Ghd7的轉(zhuǎn)錄，同樣導(dǎo)致抽穗延遲。遺傳與分子證據(jù)進(jìn)一步證實(shí)，抽穗因子（Florigen）Hd3a是該調(diào)控模塊下游的主要靶基因（圖1）。

圖1. Nhd1-Ghd7轉(zhuǎn)錄負(fù)反饋調(diào)控環(huán)介導(dǎo)水稻抽穗期對(duì)氮肥的U-型響應(yīng)。

此外， Nhd1與Ghd7的拮抗作用在水稻馴化過程中受到了定向選擇，兩者的等位變異組合與土壤氮沉降的地理分布密切相關(guān)。該團(tuán)隊(duì)之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Nhd1是一個(gè)綜合調(diào)控氮素吸收、分配、同化及碳氮平衡的多效基因（Zhang et al., 2021, Current Biology; Li et al., 2022, Plant Physiology; Journal of Experimental Botany; Zhang et al., 2023, Plant Biotechnology Journal）。在本研究中，發(fā)現(xiàn)利用Ghd7與Nhd1等位變異組合與基因編輯技術(shù)，能夠在穩(wěn)定生育期的同時(shí)，顯著提高水稻產(chǎn)量及氮素利用效率（圖2）。

圖2. 選擇性聚合Ghd7、Nhd1等位變異具有改良生育期、產(chǎn)量及氮素利用效率的潛力。

綜上，該研究不僅闡明了水稻抽穗期響應(yīng)氮素U-型模式的調(diào)控機(jī)制，為解析水稻生育期與氮素利用的協(xié)同調(diào)控提供了全新視角，而且為培育氮素適應(yīng)性水稻品種提供了關(guān)鍵基因靶點(diǎn)，助力氮肥精準(zhǔn)施用與水稻生育期優(yōu)化育種。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院副教授張抒南為論文的第一作者和通訊作者，徐國華教授為論文的共同通訊作者。研究得到了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、江蘇省種業(yè)揭榜掛帥項(xiàng)目的資助。

全文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202508498