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气候变化导致的CO2浓度上升已经成为全球关注的问题，到2024年时，大气中的CO2浓度已经达到了424 ppm。尽管这一数值远未达到C3植物光合作用所需的饱和点，但CO2浓度的增加普遍促进了水稻等作物的产量。特别是通过田间开放式大气CO2浓度升高实验（FACE），观察到对于籼稻而言，这种促进作用比对粳稻更为明显，不过背后的分子机制一直不明确。
南京农业大学丁艳锋教授团队和李姗教授团队联合研究发现，籼稻与粳稻对大气CO2浓度升高的不同反应可能与DNR1基因的亚种变异有关。研究表明，拥有籼稻型DNR1基因的水稻品种在面对CO2浓度升高时，其产量增长幅度要显著大于携带粳稻型DNR1基因的品种。相关研究成果以“Variation in a single allele drives divergent yield responses to elevated CO2 between rice subspecies”在线发表在《Nature Communications》上。通常，CO2浓度的升高会刺激C3植物叶片的光合作用，但这种刺激效果受到氮素有效性的影响。值得注意的是，粳稻吸收和同化硝态氮的能力一般低于籼稻。研究团队通过多品种实验发现，CO2浓度升高与水稻品种对硝态氮的吸收之间存在互动效应，即CO2浓度升高时，籼稻对硝态氮的吸收量增幅明显高于粳稻。虽然CO2浓度升高也增强了铵态氮的吸收，但两种水稻亚种在此方面的反应没有显著差异。因此，可以推测，籼稻对CO2浓度升高的更强烈响应可能与其更强的硝态氮吸收能力相关。为了验证这个假设，研究人员利用 FACE 平台进行了田间试验，使用了DNR1的近等基因系和突变体。结果显示，携带高硝态氮吸收能力的籼稻型DNR1基因的水稻，在CO2浓度升高条件下，产量增加了22.8%至32.3%，而携带低硝态氮吸收能力的粳稻型DNR1基因的水稻产量仅增加了3.6%至11.1%。具体机制是，在含有籼稻DNR1的植株中，CO2浓度升高显著减少了DNR1的积累，增加了生长素的合成，激活了更多的OsARF6和OsARF17转录因子，上调了参与硝态氮代谢的基因表达，如OsNRT1.1B、OsNRT2.3a、OsNIA2和OsNPF2.4，从而提高了硝态氮的吸收和同化效率，并进一步增强了光合基因如OsPsaB、OsRbcs和OsSBPase的表达和光合速率。综上所述，该研究证实了籼稻对CO2浓度升高的更强烈响应与其较强的硝态氮吸收能力有关，表明籼稻DNR1基因可能是提高粳稻产量和氮肥利用效率的重要育种资源，特别是在CO2浓度持续升高的情况下。 南京农业大学博士研究生刘云龙和钟山青年研究员张思宇博士为论文共同第一作者，丁艳锋教授、李姗教授和江瑜教授为通讯作者。英国Exeter大学Kees Jan van Groenigen教授，美国北卡罗来纳州州立大学胡水金教授，中科院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员，中国农业科学院作物科学研究所张卫建研究员，江西农业大学黄山教授，南京农业大学李刚华教授、刘正辉教授、王松寒教授和钱浩宇副教授等参与了本项研究。研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新基金等项目的资助。
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