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Curr Biol | 南京农业大学万建民/王春明团队揭示DOF27-GDH1模块提升水稻铵态氮利用效率

2026-06-26 09:51:34

氮肥是现代水稻生产中最重要的投入之一，但过量施用不仅增加成本，也带来水体富营养化和温室气体排放等环境问题。稻田长期处于淹水厌氧环境，铵态氮通常是水稻吸收利用的主要无机氮形式；然而铵态氮浓度过高会抑制生长，浓度过低又限制分蘖和产量。野生稻长期生长在低氮、湿地等边缘环境中，可能保留了适应铵态氮波动的祖先优异等位基因。已有研究揭示了铵转运、氮同化和氮响应转录调控的部分机制，但植物如何通过遗传变异与表观遗传结构协同感知低铵环境，并把这种信号转化为更高氮利用效率和产量，仍有待深入解析。

2026年6月15日，南京农业大学农学院万建民院士与王春明教授团队在顶级期刊《Current Biology》发表了题为“Ancestral DOF27 and GDH1 haplotypes drive rice adaptation to ammonium habitats”的研究论文。研究从普通野生稻中鉴定到一个谷氨酸脱氢酶1（GDH1）的优良等位基因GDH1OR，它通过增强铵态氮同化和氮利用效率，提高水稻在低氮条件下的有效穗数和产量稳定性。机制上，GDH1OR启动子保留DOF27更容易识别的AAAG元件，而栽培稻9311中的5-bp插入削弱了DOF27对GDH1的反式激活；靶向编辑DOF27启动子可增加R环的丰度，从而提高氮利用效率和产量，尤其是在低氮条件下。GDH1OR通过促进低氮条件下NH₄⁺的吸收和同化来提高铵利用效率并稳定产量。研究揭示了一种新的铵诱导表观遗传调控机制，并为利用野生稻祖先等位基因进行育种以提高铵利用效率提供了一种有前景的策略。

研究团队以9311和普通野生稻CWR276构建的198份染色体片段代换系为材料，用有效穗数比EPNR评价氮利用效率相关性状。QTL定位在3号染色体发现qEPNR-3a和qEPNR-3b，其中qEPNR-3b的LOD值为4.44，贡献率为8.44%；通过回交和重组体分析，将其缩小到约230 kb区间，进一步结合117份水稻材料的GWAS和LD分析，定位到32.875-33.049 Mb的173 kb区域。携带qEPNR-3b的CSSL在低氮田间具有更高EPNR，株高降低但有效穗数增加。该区间25个基因中，有8个在低铵下被诱导超过1.90倍，其中Os03g0794500编码谷氨酸脱氢酶GDH1，参与铵与2-氧戊二酸合成谷氨酸的反应，因而被确定为候选基因。

图1 qEPNR-3b定位与GDH1候选基因鉴定

为了验证GDH1功能，研究在日本晴背景中构建gdh1-1和gdh1-2突变体。田间条件下，gdh1突变体在高氮和低氮下有效穗数、单株产量和NUE均下降，EPNR也低于日本晴；苗期在不同NH4+处理下，突变体株高、地上部鲜重和干重、总氮含量、地上部氮利用效率以及根和整株干重均降低。体外酶动力学显示，GDH1对NH4+的亲和力Km为5.35 ± 0.44 mM，高于对谷氨酸的12.14 ± 3.86 mM，对2-OG为7.41 ± 0.80 mM。突变体中谷氨酸、丝氨酸和半胱氨酸下降，游离NH4+和2-OG在根和叶中积累，GDH氨化活性和脱氨活性均显著降低，尤其根中氨化活性下降更明显；MSX抑制GS后，gdh1根部NH4+积累和谷氨酸下降更加突出。

图2 GDH1促进铵同化、铵吸收和氮利用效率

序列分析显示，9311和普通野生稻GDH1编码区有2个SNP但不改变氨基酸，启动子区域则存在4个indel和7个SNP。117份栽培稻中，GDH1可分为两个主要单倍型，9311代表的HapA比日本晴代表的HapB具有更高EPNR。启动子活性实验表明，GDH1OR启动子驱动的转录强于GDH19311启动子；进一步拆分变异后，位于-1,953位置的5-bp indel被确定为GDH1OR启动子活性增强的关键变异。该5-bp插入在9311等位基因中破坏DOF家族识别的AAAG元件。Y1H、LUC和EMSA均显示DOF27能结合并激活GDH1启动子，且对GDH1OR和删除5-bp插入后的GDH19311-V作用更强。dof27突变体中GDH1表达下降，并在高氮和低氮田间表现为有效穗数、单株产量、NUE和EPNR降低。

图3 DOF27差异激活GDH1转录并调控铵同化

研究团队进一步发现，DOF27本身受到R-loop调控。S9.6抗体dot blot显示，日本晴在0.2 mM NH4+下全基因组R-loop水平低于2 mM NH4+；DRIP-seq显示GDH1位点没有R-loop，而DOF27启动子存在R-loop。低铵诱导DOF27和GDH1表达，并增强DOF27启动子R-loop富集。RNase H突变提高全基因组R-loop水平，在低铵下DOF27启动子的R-loop和DOF27表达均高于野生型。研究随后用Cas12f编辑DOF27启动子R-loop核心区域，获得10-bp缺失的R-loop-edit株系；该材料在低铵下DOF27 R-loop富集和表达均高于日本晴，并在0.2 mM NH4+下提高地上部鲜重和干重。田间低氮条件下，R-loop-edit的EPNR、有效穗数、单株产量和NUE显著增加。普通野生稻DOF27启动子R-loop区域含47-bp插入，可提高R-loop水平和DOF27表达，但该DOF27OR单倍型在3,024份栽培稻中已丢失。

图4 DOF27启动子R-loop响应低铵并提升氮利用效率

为评估GDH1OR的育种价值，研究在日本晴背景中构建由GDH1OR或GDH19311启动子驱动相同GDH1编码序列的转基因材料。苗期结果显示，GDH1ORpro:GDH1材料的GDH1氨化活性、鲜重、干重、总氮含量和氮利用效率均高于日本晴和GDH19311pro:GDH1；谷氨酸含量升高，游离NH4+和2-OG下降，9个AMT基因表达总体增强，15NH4+吸收增加，根系对铵供应的适应性更强。田间中，GDH1ORpro:GDH1在高氮下GDH1表达比日本晴提高14和18倍，在低氮下提高26和30倍；GDH19311pro:GDH1分别只提高7/8倍和11/12倍。GDH1ORpro:GDH1在高低氮田间均降低株高、提高PHR，并显著增加有效穗数、生物量和稳定产量，低氮条件下优势尤其明显；携带qEPNR-3b的CSSL也表现出更高鲜重、干重、氮含量和铵吸收。

图5 GDH1OR祖先等位基因增强铵同化和低氮产量稳定性

研究揭示了来自普通野生稻的祖先单倍型GDH1OR和DOF27OR共同构成一个适应低铵环境的高NUE调控模块。其分子模型可以概括为，低铵条件增强DOF27启动子R-loop富集，推动DOF27表达；DOF27蛋白识别GDH1OR启动子中完整AAAG元件，强力激活GDH1表达；GDH1在线粒体中促进NH4+与2-OG生成谷氨酸，提高铵同化、铵吸收、有效穗数和氮利用效率。栽培稻中，GDH19311启动子5-bp插入削弱DOF27结合，而DOF27OR的47-bp R-loop插入和GDH1OR优异单倍型在现代栽培稻中几乎丢失。项研究把野生稻祖先等位基因、R-loop表观遗传调控和氮效率育种连接起来，为低氮高产水稻设计提供了清晰靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2026.05.038

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