新研究揭示過量氮肥導致水稻減產的分子機制
農業生產中過量施用氮肥反而會降低水稻產量和氮素利用效率。南京農業大學教授、中國工程院院士萬建民團隊首次在分子遺傳學層面闡明了過量施用氮肥導致水稻無效分蘗形成的機理，從水稻自然群體中發掘了氮高效優異單倍型轉錄因子OsGATA8-H，同時結合基因編輯和回交育種技術創制了優異氮高效育種材料。6月13日，相關成果發表于《自然—遺傳學》（Nature Genetics）上。
南京農大供圖
單位面積有效分蘗數是決定水稻單產的關鍵因素之一。上世紀60年代以來，氮肥的大幅投入促進了糧食單產的提升。但科學家們發現，過量施用氮肥導致無效分蘗過量生長，抑制水稻有效分蘗的形成，反而會降低水稻產量和氮素利用效率。
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問題。“此次發現的轉錄因子OsGATA8-H類似調控銨離子轉運的一道‘閘門’。”論文共同通訊作者、南京農大教授王春明說，這道“閘門”可以“雙向調控”氮素利用效率，在低氮條件下，“閘門”通過增加OsAMT3.2表達，促進水稻銨吸收；在高氮條件下，這道“閘門”又能適當提高OsTCP19的表達，促進更多分蘗發育成有效分蘗，減少無效分蘗的形成。
田間表型觀察與數據收集。南京農大供圖
在此基礎上，團隊又通過基因組編輯和基因聚合技術，將優異單倍型基因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，推進綠色農業的可持續發展提供了方向。
這一成果前后歷經了十余年時間。該團隊自2013年起，從1萬份育種材料中精心篩選，挑選出了1000份性狀優異的親本。進一步篩選出175份材料進行全基因組測序分析，最終找到了OsGATA8-H這道關鍵的“閘門”，并連續3年田間實驗，通過基因敲除和過表達實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Nicolaus von Wiren評價：“研究人員鑒定了氮高效關鍵轉錄因子GATA8，并探索了等位基因多樣性，是一項系統深入的原創性成果。在現代水稻品種中發現了優異單倍型GATA8-H，將對水稻氮高效遺傳育種研究產生深遠的影響。”
該成果獲得國家重點研發項目、國家自然科學基金項目和江蘇省生物育種鐘山實驗室等資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-024-01795-7
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