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Nature Commun. | 钱前团队发现可显著提高水稻产量和氮素利用率的新基因
2019-11-15
11月15日,Nature Communications在线发表了中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室钱前研究团队与中科院植物生理生态研究所等单位合作完成的题为The indica nitrate reductase gene OsNR2 allele enhances rice yield potential and nitrogen use efficiency的研究论文。该研究发现了一个可提高水稻产量和氮素利用效率的基因OsNR2,并揭示了其作用机制。


水稻是世界上最重要的粮食作物,全球超过一半人口以稻米为主食。特别是在亚洲,水稻的种植消费约占90%。在现代农业生产中,氮肥的使用为水稻高产起了巨大的推动作用。但氮肥的过多施用不仅增加了农业生产成本,而且带来了土壤酸化、水体富营养化等环境问题。因此,水稻氮高效利用的分子机理研究和氮高效品种的培育具有重大的理论意义和实际价值


铵态氮NH4+和硝态氮NO3-是植物生长过程中主要的两种氮源。水稻主要生长在水田中,其厌氧环境使氮源主要以NH4+的方式存在。然而,水稻具有通气组织,可以将氧从地上输送到根部并释放到根际微环境,使根际土壤处于一定的氧化状态,从而增强土壤细菌将NH4+转化为NO3-的硝化作用,将15~40%的氮转化为NO3-。因此,NO3-的吸收和同化成为影响水稻氮素利用效率的重要因素。氯酸盐ClO3-是硝酸盐NO3-的类似物,ClO3-能被植物NO3-吸收转运蛋白吸收,然后被硝酸还原酶还原为有毒的亚氯酸盐ClO2-,从而抑制植物的生长。因此,ClO3-抗性是水稻硝态氮同化效率的重要指标。


在植物中,硝酸还原酶(NR)是催化细胞中硝酸盐转化为氨并进一步同化的限速步骤。上世纪五十年代,我国科学家吴相钰汤佩松就发现水稻的NR活性受环境诱导【1】。上世纪八十年代,中国科学院上海植物生理生态研究所的汤玉玮课题组发现,NR活性在籼粳两个亚种间存在显著差异,一般来说,籼稻的NR活性高于粳稻【2】;并且NR活性与水稻的耐肥性呈负相关,低NR活性的粳稻相比高NR活性的籼稻更耐肥【3】。有趣的是,上世纪五十年代,日本学者Oka发现氯酸钾抗性反应是区分籼稻与粳稻最有效的指标之一,粳稻通常比籼稻具有更强的氯酸钾抗性【4】,这与籼粳亚种间NR活性的差异表现完全一致。因此,通过籼粳亚种间ClO3-抗性差异的遗传研究,有助于揭示水稻对NO3-的同化能力和氮利用率(NUE)亚种间差异的遗传基础。


2006年,中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室钱前课题组利用籼稻窄叶青8号和粳稻京系17杂交的F1花培获得的双单倍体(DH)群体为材料,定位到三个氯酸钾抗性的数量性状基因座(QTL),并且推断两个NR基因和一个硝酸盐转运蛋白基因NRT分别是三个QTL的候选基因【5】。2015年,中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才课题组利用日本晴背景的IR24染色体单片段导入系,也在NRT基因所在的区域定位到了ClO3-抗性QTL,并且通过图位克隆技术证实了该QTL就是硝酸盐转运蛋白基因OsNRT1.1B,籼型OsNRT1.1B较粳型OsNRT1.1B具有更高的NO3-吸收和转运活性,同时NO3-同化过程的多个关键基因的表达上调。多点田间试验表明,籼型OsNRT1.1B能显著提高粳稻品种的产量和NUE,具有重要的应用价值【6】。南京农业大学徐国华实验室也相继克隆了OsNRT2.2【7】OsNRT2.3a【7】OsNRT2.4【8】OsNRT2.3b【9】等多个水稻NO3-吸收和转运基因,这些编码负责NO3-吸收和转运蛋白的基因为水稻高NUE育种奠定了坚实的基础。


中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室钱前研究团队与中科院植物生理生态研究所等单位合作,进一步利用籼稻9311和粳稻日本晴杂交生成的重组自交系(RIL)群体,在NR基因和OsNRT1.1B基因区域定位到两个ClO3-抗性QTL,分别命名为qCR2qCR10。通过精细定位和图位克隆,发现qCR2编码NAD(P)H依赖型硝酸还原酶OsNR2,并且籼型OsNR2比粳型OsNR2具有更高的NR活性。两者基因的编码区(CDS)共有4处差异,点突变分析发现,位于NAD(P)H结合域的精氨酸(籼型)和色氨酸(粳型)的差别是籼粳NR活性差异的关键。单倍型分析表明,9311和日本晴的OsNR2等位基因在很大程度上代表了籼稻和粳稻OsNR2等位基因间的总体差异。系统进化分析显示,籼稻与普通野生稻处于该基因的同一主分枝,而粳稻与普通野生稻的OsNR2差异更大。ka/ks分析发现,尽管粳型OsNR2是功能降低的等位基因,但在籼粳分化过程中却受到正选择。


将籼型和粳型OsNR2等位基因分别转入粳稻日本晴,发现携带籼型OsNR2的转基因植株NR活性更高,15NO3-吸收活性更强,地上部和穗部含氮量也更高。在杭州和海南两地对qCR2近等基因系、表达籼粳不同类型OsNR2基因以及OsNR2的RNAi转基因株系进行了田间实验,结果表明RNAi株系的有效分蘖和产量降低,而带有籼型OsNR2的近等基因系或转基因株系的有效分蘖和产量增加。此外,OsNR2基因与编码NO3-吸收转运蛋白的OsNRT1.1B基因具有正反馈相互作用,即籼型OsNR2等位基因促进了OsNRT1.1B基因的表达,而籼型OsNRT1.1B等位基因同样也使OsNR2基因表达上升。多地田间试验表明,在粳稻背景下聚合籼型的OsNR2基因和OsNRT1.1B基因,可以获得比导入单个基因更高的产量和NUE。


Expression of the 9311 OsNR2 allele boosts Nipponbare N assimilation, tiller number, and grain yield. 


与编码NO3-吸收转运蛋白的基因不同,OsNR2属于NO3-同化基因,是新类型的水稻氮高效基因。籼型OsNRT1.1B基因和OsNR2基因之间的正反馈互作揭示了氮吸收和氮同化之间的密切关系。将籼型OsNR2基因与更多负责氮吸收和转运的高效等位基因进行组合,研究它们之间的相互作用关系以及对水稻NUE的影响,可以深入揭示水稻氮高效的分子机理,有望获得更高NUE的水稻品种。总之,OsNR2基因为水稻产量的可持续增长提供了新的基因资源,对未来全球粮食安全具有重要意义。


该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。中国水稻研究所高振宇研究员、陈光副研究员和中科院植物生理生态研究所王玉锋博士为论文的并列第一作者,中国水稻研究所钱前研究员和英国牛津大学的Nicholas P. Harberd教授为共同通讯作者。

 

参考文献
[1] 汤佩松, 吴相钰. 水稻幼苗中硝酸还原酶的适应形成. 科学通报, 1957, (02): 52-53.
[2] 李豪喆, 林振武, 汤玉玮. 不同类型水稻幼苗硝酸还原酶的活力(简报). 实验生物学报, 1981, (04): 80-82.
[3] 林振武, 陈敬祥, 汤玉玮, 李豪喆. 硝酸还原酶活力与作物耐肥性的研究Ⅰ.不同耐肥性的水稻、玉米、小麦硝酸还原酶活力. 中国农业科学, 1983, (03): 37-43.
[4] Oka HL. Intervarietal variation and classification of cultivated rice. Ind J Genrt Pl Breed, 1958, 18: 79-89.
[5] Teng S, Tian C, Chen M, Zeng D, Guo L, Zhu L, Han B, Qian Q. QTLs and candidate genes for chlorate resistance in rice (Oryza sativa L.). Euphytica, 2006, 152(2): 141-148.
[6] Hu B, Wang W, Ou S, Tang J, Li H, Che R, Zhang Z, Chai X, Wang H, Wang Y, Liang C, Liu L, Piao Z, Deng Q, Deng K, Xu C, Liang Y, Zhang L, Li L, Chu C. Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergence between rice subspecies. Nat Genet, 2015, 47(7): 834-838.
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[8] Feng H, Yan M, Fan X, Li B, Shen Q, Miller AJ, Xu G. Spatial expression and regulation of rice high-affinity nitrate transporters by nitrogen and carbon status. J Exp Bot, 2011, 62(7): 2319-2332.
[9] Fan X, Tang Z, Tan Y, Zhang Y, Luo B, Yang M, Lian X, Shen Q, Miller AJ, Xu G. Overexpression of a pH-sensitive nitrate transporter in rice increases crop yields. Proc Natl Acad Sci USA 2016, 113(26): 7118-7123.

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13110-8

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