南京农大发表最新Science论文

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植物中氮（N）缺乏所导致的根-冠比增加（地下根系发达，地上部分受限），本质上是一种适应性变化，但对农业而言并非最佳，揭示调控这种发育可塑性的机制，有助于提高作物产量，同时减少肥料使用。

该研究发现，OsWRI1a 是协调水稻根系和茎生长以响应外部氮供应的调控枢纽，从而稳定根-冠比。在根系，OsWRI1a 通过促进生长素积累来增强氮响应性发育，同时，茎部的 OsWRI1a 刺激分蘖发育，从而促进茎生长。研究团队还鉴定出了一种优良的 天然 OsWRI1a 单倍型，其在氮缺乏条件下能最大程度地减少根-冠比的波动，提高氮利用效率和谷物产量。

这项研究揭示了协调氮响应性生长分配的中枢机制，为“减肥增效”型水稻育种提供了重要的理论创新与基因资源，为可持续农业提供了新思路。

植物进化出了优化资源分配的能力，使其能够在营养物质供应波动的环境中适应性生长。氮（N）是一种决定生长和生产力的重要宏量元素。因此，当外部氮水平发生变化时，植物会经历深刻的发育重编程。在氮缺乏的情况下，大多数植物会将生物量重新分配到根部以增强养分搜寻能力，而在氮供应充足时，资源则会重新分配到地上部分以促进地上生长。

在水稻中，氮限制通过破坏氨基酸转移酶 DNR1 的稳定性，导致根部生长素积累，从而促进根系发育。相反，氮含量升高会增加地上部分 NGR5 的丰度，从而激活多个地上分枝基因的表达，促进分蘖。然而，协调根系和地上部分发育的氮响应重编程机制，在很大程度上仍不清楚。

在氮素限制条件下，根-冠生物量比（root-to-shoot biomass ratio）的增加，对农业而言是不利的，因为根系过度生长会促进地下竞争，而地上部分生长受限则会降低谷物产量。在氮素供应变化的情况下保持稳定的根-冠比，既能维持产量，又能减少对环境不可持续的化肥投入的依赖。

为了确定协调氮素响应发育重编程的分子参与者，研究团队进行了突变体筛选，并克隆了 LOC_Os11g03540，该基因对应于种子油生物合成调节基因 OsWRI1a。oswri1a 突变体在高氮和低氮供应条件下均表现出相似的根-冠生物量比，且碳再分配未发生改变。该研究进一步揭示了 OsWRI1a 协调氮素响应发育的机制，并评估了其作为作物改良遗传靶点的潜力。

具体来说，研究团队发现，OsWRI1a 通过共同和独特的机制来调控地上部分和根系的发育。在茎叶部分，OsWRI1a 作为转录因子发挥作用，直接促进 NGR5 的表达，从而增强分蘖。在根系中，OsWRI1a 上调多个参与氮代谢的基因，从而提高氮素利用效率（NUE）。根系中的 OsWRI1a 扰乱了 DNR1 与 F-box 蛋白 RNR10之间的相互作用，RNR10 单泛素化 DNR1 以抑制其降解。RNR10 还介导 OsWRI1a 自身的多泛素化和降解。OsWRI1a 含量升高会破坏 DNR1 的稳定性，促进生长素积累，从而增强根系发育。相反，RNR10 在分蘖芽中未检测到对 OsWRI1a 降解的显著作用，这表明 OsWRI1a 稳定性存在组织特异性调控。这些发现表明，OsWRI1a 作为一个调控枢纽，将两个先前独立的机制联系起来，协调氮响应的根系和茎叶发育。

最后，研究团队鉴定出一个在籼稻品种中占主导地位的 OsWRI1a 单倍型，其能提高 OsWRI1a 的含量。将该等位基因通过基因工程手段导入粳稻品种中，显著提高了氮素利用效率和谷物产量。

OsWRI1a 介导氮响应根系和分蘖生长的协调

基于上述发现，研究团队得出结论——氮素响应的 OsWRI1a 通过转录激活与分蘖和氮素代谢相关的基因，并通过破坏根部生长素积累的 RNR10-DNR1 负调控模块，从而整合根和茎的发育调控。导入一种能提高其丰度的优良天然 OsWRI1a 单倍型，使植物在氮素限制条件下能够维持稳定的根-冠比，并提高谷物产量，颠覆了“低氮必抑冠层”的传统观点，表明了 OsWRI1a 是可持续作物改良的一个有前景的目标。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384