院士领衔!南京农业大学,Science+1!!

# 编者摘要

氮素供应会影响植物根与地上部的生物量分配。南京农业大学李姗教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和英国牛津大学吉喆博士携手在水稻中鉴定到基因OsWRI1a，可响应氮素调控根与地上部的生长（见 Suganami 和 Matsuoka 评述）。

在地上部分，OsWRI1a 激活分蘖生长调控因子；而在根部，它与泛素连接酶组分形成反馈环路，调控生长素积累。

这种组织特异性互作将根与地上部响应氮素的调控过程解耦，为作物育种或基因编辑提供了可将两个过程独立调控的靶点。

—— Madeleine Seale

# 结构化摘要

### 研究背景

植物已进化出优化资源分配的能力，以在营养波动环境中实现适应性发育。氮（N）是决定植物生长与产量的必需大量元素，外界氮素变化会引发植物显著的发育重编程。

缺氮时，多数植物会将生物量优先分配给根系以增强养分获取；氮素充足时，则优先供给地上部促进生长。

在水稻中：低氮通过使氨基转移酶 DNR1 不稳定，促进根中生长素积累，进而促进根系发育；高氮则增加地上部 NGR5 蛋白丰度，激活多个分蘖相关基因，增强分蘖。但协调根与地上部响应氮素重编程的机制仍不清楚。

### 研究思路

农业生产中，缺氮导致根冠比升高是不利性状：根系过多会加剧地下竞争，地上部生长不足则限制产量。

在不同氮素条件下维持稳定根冠比，有助于稳产并减少化肥依赖。

为鉴定协调氮响应发育重编程的关键因子，我们进行突变体筛选，克隆到LOC_Os11g03540，即种子油脂合成调控基因OsWRI1a。

oswri1a 突变体在高氮与低氮下均保持相似根冠比，且不改变碳分配。

我们进一步解析了 OsWRI1a 协调氮响应发育的机制，并评估其在作物改良中的潜力。

### 研究结果

OsWRI1a 通过共有与组织特异的双重机制调控根与地上部发育：

1. 在地上部：OsWRI1a 作为转录因子，直接促进 NGR5 表达，增强分蘖。

2. 在根部：OsWRI1a 上调多个氮代谢相关基因，提高氮利用效率（NUE）；同时阻断 DNR1 与 Fbox 蛋白 RNR10 的互作。

RNR10对 DNR1 单泛素化，抑制其降解；

RNR10还介导 OsWRI1a 自身多泛素化与降解。

OsWRI1a 蛋白升高会使 DNR1 不稳定，促进生长素积累与根系发育。

而在分蘖芽中，RNR10 不显著介导 OsWRI1a 降解，表明其稳定性受组织特异性调控。

综上，OsWRI1a 作为调控枢纽，连接了两套原本独立的机制，协调根与地上部的氮响应发育。

我们还鉴定到一种优异单倍型，主要存在于籼稻中，可使 OsWRI1a 蛋白水平更高。将该等位基因导入粳稻，可显著提升氮利用效率与产量。

### 研究结论

响应氮素的OsWRI1a 通过以下方式整合根与地上部发育调控：

在地上部转录激活分蘖与氮代谢相关基因；

在根部特异性破坏控制生长素积累的RNR10DNR1 负调控模块。

导入可提高 OsWRI1a 丰度的优异天然单倍型，能使植物在缺氮下维持稳定根冠平衡，提高籽粒产量，表明 OsWRI1a 是可持续作物改良的理想靶点。

# 图示要点

OsWRI1a 介导水稻根与分蘖响应氮素的协同生长：

作为氮响应转录因子，地上部通过上调分蘖基因NGR5 促进地上部发育；

根部通过破坏控制生长素积累的RNR10DNR1 负调控模块促进根系发育；

高丰度 OsWRI1a 可减弱缺氮诱导的根冠比上升，在减少化肥的同时显著增产。

# 摘要

植物中缺氮诱导根冠比升高在自然界具有适应性，但对农业生产并非最优。

解析这一发育可塑性的调控机制，有助于在减少施肥的同时提升作物表现。

南京农业大学李姗教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和英国牛津大学吉喆博士携手鉴定到OsWRI1a作为核心调控枢纽，协调水稻根与地上部响应外界氮素的生长，稳定根冠比：

在根部，OsWRI1a 促进生长素积累，增强氮响应发育；

在地上部，OsWRI1a 促进分蘖与地上部生长。

我们筛选到一种优异 OsWRI1a 单倍型，可最小化缺氮下根冠比波动，提高氮利用效率与产量。

本研究揭示了协调植物氮响应生长分配的核心机制，为可持续农业提供理论与基因资源。

李姗，1990年出生，南京农业大学农学院教授，博士生导师。2018年底，李姗加入南京农业大学农学院赵云德团队，被评为教授，同时担任博士生导师。

傅向东研究员1987年至1991年在武汉大学生物系遗传学专业学习，现任中国科学院遗传与发育生物学研究所副所长（主持工作），种子创新全国重点实验室主任，长期从事作物遗传学研究，是赤霉素信号传导、碳氮高效利用及水稻高产高效设计育种领域的引领者。

傅向东是首批“新基石”研究员，北京学者，基金委卓越研究群体项目首席、创新研究群体项目首席、国家重点研发计划项目首席，作物学会副理事长，担任多个重要学术期刊编委。发表学术论文107篇，SCI他引12816次，16篇入选ESI高被引论文；多次入选全球前1%高被引科学家；成果入选2018年、2020年中国生命科学十大进展，2019年、2021年中国农业科学十项重大进展；获国家自然科学奖二等奖、全国创新争先奖、中国科学院杰出科技成就奖、谈家桢生命科学创新奖等奖项。

应用分子设计育种理论和技术，合作育成高产、优质和氮高效协同改良的设计型水稻新品种13 个，推动作物绿色高效育种。克隆多个能协同提升作物产量、品质和氮肥利用效率的关键核心基因，育成150多个水稻新品种，在突破作物高产、优质与氮高效协同改良的育种技术瓶颈和解决国家重大战略需求方面发挥了前沿引领和示范支撑作用。