陕西
“绿色革命”培育的半矮秆水稻品种大幅度提高了全球粮食产量，但其存在一大短板：植株对氮肥的感知响应能力显著减弱，需要大量施用氮肥才能释放高产潜力。这种高氮肥投入不仅推高了种植成本，也造成土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放加剧等一系列生态环境问题。如何破解绿色革命后水稻品种氮利用效率低下难题，已经成为现代农业可持续发展亟待攻克的关键课题。
近日，华南农业大学储成才教授团队在Nature Communications在线发表了题为Natural variation inBRN1enhances nitrogen sensitivity to improve rice nitrogen use efficiency的研究论文，揭示了水稻氮素高效利用的一个全新调控机制。研究挖掘到一个关键氮信号转录因子BRN1，其优异等位BRN1H可有效缓解高氮诱导的独脚金内酯抑制因子D53积累所引发的生长抑制效应，显著提升水稻对氮素感知灵敏度与氮素利用效率，为发展节肥增产的绿色农业提供了重要基因资源和理论支撑。
研究团队利用来自于世界71个国家和地区、遗传多样性丰富的179份水稻微核心种质资源(图1A)，通过分析其在低氮和高氮环境下生物量的氮响应表现 (图1B)，发现不同水稻品种对氮素的敏感性存在显著差异，借助全基因组关联分析(GWAS)技术，团队定位获得了一个调控水稻氮敏感性的关键“分子开关”BRN1基因。
进一步机制解析发现，氮肥施用水平升高时，独脚金内酯信号通路的核心抑制因子D53蛋白会大量累积，D53蛋白能够与BRN1发生互作，抑制BRN1对硝酸盐信号核心转录因子NLP3的转录激活功能，造成水稻氮吸收、转运及同化相关基因表达下调，最终导致水稻对氮素响应能力下降。
研究人员从自然水稻种质中鉴定出BRN1的优异自然变异等位基因BRN1H。该变异编码的蛋白具有更高的稳定性，即便高氮条件下D53大量积累，依旧可以抵抗D53的抑制作用，保障水稻维持较强氮响应能力(图1C)。田间试验证实，将BRN1H导入现代主栽品种秀水134后，在低氮及高氮种植条件下，水稻产量分别提升17.4%和22.9%，实现增产与节肥的协同效果。
基于此，研究团队构建了全新的D53-BRN1-NLP3完整分子调控模块，系统阐明了水稻感知外界氮营养信号、进而调控自身生长发育的分子通路(图1C)。群体遗传分析显示，优异等位变异BRN1H在籼稻中分布较多，而在粳稻中十分稀缺，这为水稻不同亚种开展定向精准设计育种提供了新思路，具有广阔的育种应用前景。
图1 D53-BRN1-NLP3模块调控水稻氮敏感性
该研究不仅揭示了绿色革命后水稻品种氮敏感性减弱背后的分子机理，也为利用水稻自然变异同步改良水稻产量与氮素利用效率、推动新一轮绿色革命提供了科学依据。
华南农业大学农学院储成才教授和孙虎威副教授为论文通讯作者，孙虎威副教授和博士生陈亚轲为论文共同第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、生物育种国家科技重大专项、广东省基础与应用基础研究重大项目、广东省"珠江人才计划"创新创业团队项目等资助。
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