“减肥增产”!南京农业大学博士以第一作者在Nature communications发表重要研究成果

学术   2024-10-27 15:19   法国  

近日,南京农业大学徐国华教授团队Nature communications发表了题为Sugar transporter modulates nitrogen-determined tillering and yield formation in rice的研究论文,揭示了葡萄糖转运蛋白OsSTP28调控氮素介导的水稻分蘖和产量建成的机制。

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Plant Cell | 徐国华/罗利军团队合作发现可调控水稻株高、抗倒伏性和产量的转录因子

作物中碳与氮的代谢及分配利用之间的协同作用是实现高产以及高效利用氮素的关键。自从绿色革命以来,通过广泛种植高产的半矮秆品种并配合使用氮肥,农作物的产量得到了显著提升。不过,氮肥的大规模生产和过量使用也带来了一系列问题,包括能源消耗增加、生产成本上升,以及对环境的负面影响,比如土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放量的增加。鉴于此,寻找能够提高作物氮素利用效率的重要基因,并开发出具有更高氮素利用效率的优质品种,成为了新一代绿色革命品种选育的核心,同时也是减少化肥使用量同时增加产量的关键任务。

本项研究采用了全基因组关联分析(GWAS)、基因编辑技术、多组学分析和实地实验等多种方法,成功识别出了一个在水稻分蘖过程中对氮响应起负调控作用的关键因子——葡萄糖转运蛋白OsSTP28,并深入探讨了其在氮素影响下调节水稻分蘖和产量形成的机制。研究结果显示,适量的氮素供应能够降低OsSTP28的表达水平,从而提升茎基部细胞外空间中的葡萄糖浓度。这一过程通过改变组蛋白H3K27上的甲基化状态来抑制转录因子OSH15的活性,并激活由赤霉素氧化酶GA2oxs主导的赤霉素降解途径,最终导致水稻分蘖数量的增加和产量的提高。此外,研究还揭示了一种更有效的OsSTP28等位基因,这种等位基因能够更有效地增强现代栽培稻对氮素的响应,促进分蘖,进而提高产量,为水稻的高产和高效利用氮素提供了宝贵的遗传资源。

总体而言,这项研究以氮素如何调控水稻分蘖的发生为例,揭示了氮素通过调整储藏器官中单糖的分配,达到碳氮协同作用,进而提升作物产量的新机制。这不仅为氮素高效利用的育种工作提供了新的思路,同时也贡献了一批重要的基因资源。

OsSTP28调控氮素依赖的水稻分蘖和产量建成的模式图(LN: 低氮;HN:高氮)

南京农业大学资源环境科学学院的张金飞博士为该论文的第一作者,徐国华教授,刘鹰副教授为共同通讯作者。南京农业大学资源环境科学学院顾冕教授,张抒南副研究员,中山大学农学与生物技术学院陈景光副教授,南京农业大学生命科学学院徐益峰教授,中国科学院遗传与发育生物学研究所高级工程师褚金芳博士等参与了该研究。研究工作得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金,江苏省种业振兴揭榜挂帅项目的资助。

文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53651-1

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