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傅向東研究組在赤黴素信號傳導新機制提高水稻氮肥利用效率研究上取得重要進展

  上世紀60年代,以矮化育種爲標志的綠色革命使水稻和小麥具有耐高肥、抗倒伏和高産的優良特性,但同時也存在氮肥利用效率低的缺點,其産量增加對化肥的依賴性高。持續大量的氮肥投入不僅增加種植成本,還導致環境汙染。農業農村部公布2019年我國三大糧食作物的化肥利用率爲39.2%,遠低于世界平均水平,更遠低于歐美等發達農業國家水平。如何減少農業生産中的氮肥投入並持續提高作物産量,已成爲我國農業可持續發展亟待解決的重大問題。 

 

  近日,中國科學院遗传與发育生物学研究所植物细胞與染色体工程国家重点实验室傅向东团队與其它三个实验室联合攻关,在Science雜志以研究長文(Research Article)形式發表了一篇題爲Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice的論文,報道了赤黴素信號傳導新機制提高水稻氮肥利用效率的研究成果。該發現不僅深化了對赤黴素信號傳導和植物氮素響應相互作用機制的理解,而且找到了一條在保證産量提高的同時,降低化肥投入、減少環境汙染的育種新策略,爲培育少投入、多産出、保護環境的綠色高産高效新品種奠定了理論基礎,並提供了有育種應用價值的基因資源。該論文被Science雜志選爲該期的封面文章進行重點推薦。

 

  傅向東研究團隊通過化學誘變和遺傳篩選,從攜帶綠色革命基因sd1的水稻品種93-11中篩選到一個産量性狀(分蘖)對氮素響應不敏感的突變體,並克隆了控制水稻氮肥高效利用的關鍵基因NGR5。研究表明NGR5是水稻生長發育響應氮素的正調控因子,NGR5PRC2蛋白複合物互作,通過介導組蛋白甲基化(H3K27me3)修飾水平來調節靶基因的表達,進而調控水稻分蘖等農藝性狀對氮素的響應。研究還發現,NGR5是赤黴素信號傳導途徑的一個新的關鍵元件,它能赤黴素受體GID1蛋白互作。赤黴素通過促進NGR5蛋白降解,導致表觀遺傳修飾水平降低,進而增強靶基因的轉錄活性,實現赤黴素調控植物生長發育。進一步研究發現NGR5與植物生长抑制因子DELLA蛋白互作,DELLA蛋白能競爭性結合赤黴素受體GID1蛋白,抑制赤黴素介導的NGR5蛋白降解,進而增加NGR5蛋白穩定性。GA-GID1-NGR5信號傳導新機制的發現不僅豐富了對赤黴素作用機理的認識,而且從分子水平上揭示了綠色革命矮稈品種在高肥條件下增産的原因。 

 

1 赤黴素信號傳導新機制調控水稻分蘖對氮素的響應 

    

  DELLA蛋白積累導致了水稻和小麥綠色革命。前期研究表明水稻生長調節因子GRF4是一個協同調控植物碳代謝、氮氮代謝和生長發育的關鍵因子,而且GRF4也是赤霉素信号传递途径的一个重要组分,它能與DELLA蛋白互作。通過將GRF4-DELLA平衡向GRF4豐度增加傾斜,能協同提高水稻和小麥綠色革命品種的氮肥利用效率和谷物産量。研究發現,在當前主栽高産品種中,提高NGR5GRF4表達量不僅能提高水稻氮肥利用效率,同時還可保持優良的半矮化和高産特性,使得水稻在適當減少施氮肥條件下獲得更高的産量。 

2DELLA-NGR5-GRF4分子模塊協同提高水稻産量和氮肥利用效率 

    

  該論文于202027日發表在Science雜志(DOI10.1126/science.aaz2046)。中科院遺傳發育所吳昆博士和王栓鎖博士爲論文共同第一作者,傅向東研究員和Nick Harberd教授为该论文的通讯作者。中科院分子植物科学卓越创新中心张一婧研究员团队和中科院合肥物质科学研究院吴跃进研究员团队参與了本研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院战略性先导科技专项的资助。