農業(yè)生產(chǎn)中過(guò)量施用氮肥反而會(huì )降低水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。南京農業(yè)大學(xué)教授、中國工程院院士萬(wàn)建民團隊首次在分子遺傳學(xué)層面闡明了過(guò)量施用氮肥導致水稻無(wú)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(shí)結合基因編輯和回交育種技術(shù)創(chuàng )制了優(yōu)異氮高效育種材料。6月13日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》（Nature
Genetics）上。
單位面積有效分蘗數是決定水稻單產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。上世紀60年代以來(lái)，氮肥的大幅投入促進(jìn)了糧食單產(chǎn)的提升。但科學(xué)家們發(fā)現，過(guò)量施用氮肥導致無(wú)效分蘗過(guò)量生長(cháng)，抑制水稻有效分蘗的形成，反而會(huì )降低水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。
該研究圍繞以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(xué)問(wèn)題。“此次發(fā)現的轉錄因子OsGATA8-H類(lèi)似調控銨離子轉運的一道‘閘門(mén)’。”論文共同通訊作者、南京農大教授王春明說(shuō)，這道“閘門(mén)”可以“雙向調控”氮素利用效率，在低氮條件下，“閘門(mén)”通過(guò)增加OsAMT3.2表達，促進(jìn)水稻銨吸收；在高氮條件下，這道“閘門(mén)”又能適當提高OsTCP19的表達，促進(jìn)更多分蘗發(fā)育成有效分蘗，減少無(wú)效分蘗的形成。
在此基礎上，團隊又通過(guò)基因組編輯和基因聚合技術(shù)，將優(yōu)異單倍型基因OsGATA8-H導入現代栽培品種中，為水稻氮高效育種、減少化肥使用，推進(jìn)綠色農業(yè)的可持續發(fā)展提供了方向。
這一成果前后歷經(jīng)了十余年時(shí)間。該團隊自2013年起，從1萬(wàn)份育種材料中精心篩選，挑選出了1000份性狀優(yōu)異的親本。進(jìn)一步篩選出175份材料進(jìn)行全基因組測序分析，最終找到了OsGATA8-H這道關(guān)鍵的“閘門(mén)”，并連續3年田間實(shí)驗，通過(guò)基因敲除和過(guò)表達實(shí)驗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(cháng)Nicolaus von Wiren評價(jià)：“研究人員鑒定了氮高效關(guān)鍵轉錄因子GATA8，并探索了等位基因多樣性，是一項系統深入的原創(chuàng )性成果。在現代水稻品種中發(fā)現了優(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。”
該成果獲得國家重點(diǎn)研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金項目和江蘇省生物育種鐘山實(shí)驗室等資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-024-01795-7
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