The Crop Journal | 贵州大学发现氮转运、同化和利用基因共表达提高水稻产量和氮利用效率

时间： 2023-02-14 点击次数：次作者：

来源：the crop journal

水稻是世界上最重要的粮食作物之一。水稻高产依赖氮肥的施用，但过量施氮会降低水稻植株的氮利用效率，并造成环境污染。土壤中的无机氮通常以硝酸盐和铵盐的形式存在，是植物吸收利用的主要氮素类型。硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和氨基酸转运蛋白等在氮素同化和再利用中发挥重要作用。已有研究表明，硝酸盐转运蛋白、硝酸还原酶、氨基酸转运蛋白等参与水稻分蘖、产量和氮利用效率调控，但如何利用氮代谢途径中不同节点的关键基因协同提升水稻产量和氮利用效率仍待进一步研究。

近日，贵州大学农学院/水稻产业技术研究院方中明教授课题组在The Crop Journal 在线发表了题为“Co-overexpression of genes for nitrogen transport, assimilation, and utilization boosts rice grain yield and nitrogen use efficiency”的研究论文，作者以粳稻中花11为背景材料，通过聚合氮途径不同节点的关键基因，促进硝酸盐和铵盐的吸收和同化，并加强氨基酸利用，提高了水稻的产量和氮利用效率。研究表明，共表达铵盐转运基因OsAMT1;2、谷氨酰胺合成酶基因OsGS1;2和天冬酰胺合成酶基因OsAS1是通过氮途径的关键节点系统性提高水稻单株产量和氮利用效率的一种有效育种策略。

研究者对氮转运、同化和利用中大量基因的SNP与单倍型进行分析，发现部分基因如铵盐转运基因OsAMT1;2、硝酸盐转运基因OsNPF8.9a、天冬酰胺合成酶基因OsAS1的启动子序列存在SNP与单倍型差异（图1），可用于共表达策略研究。对相关基因SNP形成的单倍型是否影响基因的表达量进行了分析，发现OsAMT1;2、OsNPF8.9a、OsNR2、OsGS1;1，OsGS1;2、OsGS2、OsAS1和OsAS2在籼稻中的单倍型表达水平显著高于粳稻单倍型（图2），其中部分基因与产量相关表型存在关联。研究者构建并获得了硝酸盐吸收、同化和利用材料OsNPF8.9a×OsNR2×OsGS1;2×OsAS1，铵盐吸收、同化和利用材料OsAMT1;2×OsGS1;2×OsAS1以及氮素再利用相关材料OsGS2×OsAS2×OsANT3。结果发现，不同硝酸盐浓度下，材料OsNPF8.9a×OsNR2×OsGS1;2×OsAS1的第一分蘖芽和第二分蘖芽伸长显著提高。而不同铵盐和硝酸盐浓度下，上述三种材料的第一分蘖芽或第二分蘖芽伸长均显著提高（图3）。进一步研究发现，铵盐途径的OsAMT1;2、OsGS1;2、OsAS1中任意两个基因的共同表达均可增加水稻生物量、分蘖数和单株产量，且对穗部产量性状无明显影响，而3个基因共同表达提高分蘖数和单株产量效果最为明显。硝酸盐途径和氮素再利用途径的多基因聚合材料，分蘖数和单株产量均得到提高，但显著程度不及铵盐途径的材料（图4）。此外，多基因聚合的材料中，谷氨酰胺合成酶活性、硝酸还原酶活性、总氨基酸浓度或氮利用效率显著提高，以铵盐途径材料OsAMT1;2×OsGS1;2×OsAS1的提高最为显著。综上所述，该研究综合分析了氮吸收、同化和利用等不同氮途径各节点的关键基因单倍型及其表达情况，通过在优质不高产的粳稻中聚合并共表达硝酸盐、铵盐或氮素再利用途径基因，找到了利用这些基因系统性提高水稻分蘖、产量和氮利用效率的理想方法，为水稻分子设计育种提供了有效实践途径。