上世紀60年代以來，氮肥的大幅投入促進了糧食單產(chǎn)的提升。但科學家們發(fā)現(xiàn)，過量施用氮肥導致無效分蘗過量生長，抑制水稻有效分蘗的形成，反而會降低水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。6月13日，南京農(nóng)業(yè)大學萬建民院士團隊首次在分子遺傳學層面闡明了過量氮肥導致水稻無效分蘗形成的機理，從水稻自然群體中發(fā)掘了氮高效優(yōu)異單倍型轉錄因子OsGATA8-H，同時結合基因編輯和回交育種技術創(chuàng)制了優(yōu)異氮高效育種材料，相關成果發(fā)表于遺傳學權威期刊《自然遺傳學》Nature Genetics上。
單位面積有效分蘗數(shù)是決定水稻單產(chǎn)的關鍵因素之一。過量施用氮肥導致無效分蘗過量生長，抑制水稻有效分蘗的形成，從而降低水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。
研究圍繞以OsGATA8-H為核心的分子調控模塊，闡明了氮調控有效分蘗形成的重要科學問題。“此次發(fā)現(xiàn)的轉錄因子OsGATA8-H類似調控銨離子轉運的一道‘閘門’”，據(jù)成果共同通訊作者、團隊王春明教授介紹，團隊發(fā)現(xiàn)，這道“閘門”可以“雙向調控”氮素利用效率，在低氮條件下，“閘門”通過增加OsAMT3.2表達，促進水稻銨吸收；在高氮條件下，這道“閘門”又能適當提高OsTCP19的表達，促進更多分蘗發(fā)育成有效分蘗，減少無效分蘗的形成。
在此基礎上，團隊又通過基因組編輯和基因聚合技術，將優(yōu)異單倍型基因OsGATA8-H導入現(xiàn)代栽培品種中，為水稻氮高效育種、減少化肥使用，推進綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了方向。
這一成果前后歷經(jīng)了十余年時間。據(jù)了解，團隊自2013年起，從1萬份育種材料中精心篩選，挑選出了1000份性狀優(yōu)異的親本。在這基礎上，進一步篩選出175份材料進行全基因組測序分析（WGS）。在初定位、精細定位和基因克隆的基礎上，最終找到了OsGATA8-H這道關鍵的“閘門”，并連續(xù)3年田間實驗，通過基因敲除和過表達完成了從基因到表型的雙向驗證。
德國萊布尼茨植物遺傳和作物研究所所長Nicolaus von Wiren博士評價：“研究人員鑒定了氮高效關鍵轉錄因子GATA8并探索了等位基因多樣性，是一項系統(tǒng)深入的原創(chuàng)性成果。在現(xiàn)代水稻品種中發(fā)現(xiàn)了優(yōu)異單倍型GATA8-H，將對水稻氮高效遺傳育種研究產(chǎn)生深遠的影響。”
南京農(nóng)業(yè)大學萬建民院士和王春明教授為共同通訊作者，博士生巫威和董小鷗教授為共同第一作者。成果獲得國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金項目和江蘇省生物育種鐘山實驗室等資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01795-7
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