JIPB | 南京农业大学李姗团队揭示OsSIZ1发挥E3泛素连接酶活性调控生长素稳态提升水稻氮肥利用效率的新机制

氮肥是保障全球粮食安全的关键, 然而其过量施用不仅增加农业成本, 更带来严重的环境问题。因此, 提高作物氮肥利用效率, 实现“减氮增产”, 已成为农业可持续发展的重要方向。生长素作为关键植物激素, 在协调根系发育与氮吸收利用中发挥核心作用, 解析其调控氮肥利用效率的分子网络, 对培育氮高效作物品种具有重要意义。

近日, 南京农业大学李姗教授团队在JIPB发表了题为“OsSIZ1 regulates rice nitrogen-use efficiency and grain yield by modulating auxin levels”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70186)。该研究揭示SUMO E3连接酶OsSIZ1不依赖其经典SUMO化修饰功能, 而是作为泛素E3连接酶调控水稻生长素稳态, 进而提升氮肥利用效率的新机制。

研究团队聚焦于前期鉴定到的氮吸收利用关键调控因子DNR1, 通过IP-MS技术筛选到其互作蛋白OsSIZ1。遗传分析表明, 过量表达OsSIZ1可显著提高水稻对硝酸盐的吸收能力及籽粒产量。以往研究表明, OsSIZ1及其同源蛋白OsSIZ2具有SUMO E3连接酶活性, 参与花药发育、逆境响应及氮磷代谢等过程。本研究发现, OsSIZ1对DNR1表现出泛素E3连接酶活性, 通过催化DNR1第314位赖氨酸的多聚泛素化修饰, 促进其降解。DNR1的降解可解除对生长素合成的抑制, 导致生长素积累, 进而激活下游氮代谢相关基因的表达, 最终促进氮素吸收利用和产量提升。田间试验进一步证实, 提高OsSIZ1表达水平无论在低氮还是高氮条件下, 均能显著提高水稻氮肥利用效率, 促进植株生长并增加产量, 表明该基因在培育绿色高效水稻品种中的广阔应用前景 (图1)。

该研究不仅鉴定到一个新的氮肥利用效率正向调控因子OsSIZ1, 还揭示了其兼具SUMO E3与泛素E3连接酶的“双功能”活性, 为理解E3连接酶的功能多样性提供了新视角。研究所阐明的“OsSIZ1–DNR1–生长素”调控通路, 为通过分子设计育种培育氮高效、高产水稻新品种提供了有价值的遗传改良靶点。

图1 OsSIZ1发挥E3泛素连接酶活性调控生长素稳态提升水稻氮肥利用效率

南京农业大学博士生姜冰宇和钟山青年研究员黄允智为该论文的共同第一作者, 李姗教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、U40、江苏省卓越博士后计划等项目资助。