赤霉素信號途徑調控作物氮肥高效利用研究取得進展

農業生產中，大量施用氮肥是水稻、小麥等農作物增產的重要措施。然而，氮肥的使用量逐年增加並未帶來農作物產量的大幅提高，經濟效益和生態效益反而呈下降趨勢。因此，培育氮肥高效利用的新品種是降低生產成本、減少環境污染、綠色高效提高水稻、小麥等農作物產量的有效途徑。

8月16日，英國《自然》（Nature）雜誌以研究長文形式在線發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究組關於赤霉素信號傳導途徑調控植物氮肥高效利用的最新研究進展。該項成果進一步深入了對於植物生長與代謝協同調控機制的認識，從而找到了一條在保證糧食總產量不斷提高的同時，提高了氮肥利用效率，降低了生產投入成本，減少了對環境造成的污染的可持續發展農業新途徑。

上世紀60年代，以半矮化育種為特徵的第一次「綠色革命」，使得全世界水稻和小麥產量翻了一番。「綠色革命」最明顯的特徵是水稻和小麥植株半矮化，提高了收穫指數，解決了因大量施肥導致的植株倒伏和減產問題，從而實現了水稻和小麥單產的大幅度提升。目前這些半矮化、耐高肥、抗倒伏的品種類型在當前小麥和水稻作物育種中仍然佔據主導地位。但是，攜帶「綠色革命」基因的農作物中抑制植物生長的 DELLA 蛋白高水平積累，導致其對氮肥響應減弱和利用效率下降。目前，我國水稻氮肥利用率平均只有35％。為了提高水稻產量，不得不大量使用氮肥。中國水稻種植面積佔世界水稻種植面積的20％，但中國水稻氮肥用量卻佔全球水稻氮肥總用量的37％。持續大量的氮肥投入，不僅浪費了資源和能源，而且加劇了土壤酸化、水體富營養化和農業溫室氣體排放等一系列生態環境污染問題。

在科技部、中科院和基金委的大力支持下，歷時6年的協作與攻關，從攜帶「綠色革命」基因的水稻資源材料中篩選到一個氮素吸收速率顯著增加的新品系，通過 QTL 定位、圖位克隆等技術獲得了氮肥高效利用的關鍵基因 GRF4。儘管 GRF4 之前就被證實是可能參與了赤霉素信號傳遞途徑，對植物生長發育起重要調控作用，但具體分子機制不是很清楚。該研究證實了 GRF4 是一個植物碳-氮代謝的正調控因子，可以促進氮素吸收、同化和轉運途徑，以及光合作用、糖類物質代謝和轉運等，進而促進植物生長發育。研究還發現了一個新型的優異等位基因 GRF4ngr2 ，將這個等位變異位點導入當前高產主栽高產水稻和小麥品種後，不僅提高其氮肥利用效率，同時還可保持其優良的半矮化和高產特性，最終導致水稻和小麥在適當減少施氮肥條件下獲得更高的產量。

研究還證實了 GRF4 是赤霉素信號傳遞途徑的一個關鍵元件，它能與 DELLA 蛋白互作。赤霉素通過促進 DELLA 蛋白降解，進而增強 GRF4 轉錄激活活性，實現植物葉片光合碳固定能力和根系氮吸收能力的協同調控，從而維持植物碳-氮代謝平衡。DELLA 蛋白的積累導致了第一次「綠色革命」，實現了植株半矮化、耐高肥和抗倒伏的高產目標，但也伴隨著氮肥利用效率的降低。相反，GRF4 蛋白的高水平積累能協同提高作物光合作用和氮肥利用效率，但並不改變「綠色革命」的半矮化優良性狀，從而實現了在現有高產品種中進一步提升產量和氮肥利用效率。GRF4 新功能的發現不僅豐富了人們對於赤霉素信號傳導分子機制的認識，而且從分子水平闡明了「綠色革命」矮桿育種伴隨氮肥利用效率低下的原因，並提出了明確的解決方案。名古屋大學教授松岡信在Nature同期「新聞與展望」欄目發表專文評述指出，這項發現為「少投入、多產出」的綠色高產高效農作物新品種培育提供具有重要育種利用價值的新基因資源。

研究結果於8月16日在線發表於Nature雜誌，傅向東研究組博士生李姍為該論文第一作者。該研究得到了中科院戰略性先導科技專項、國家重點研究計劃、國家自然科學基金委的資助。

遺傳發育所在赤霉素信號途徑調控作物氮肥高效利用研究中取得進展

來源：中國科學院遺傳與發育生物學研究所

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