上海
撰文丨王聰
編輯丨王多魚(yú)
排版丨水成文
植物中氮（N）缺乏所導(dǎo)致的根-冠比增加（地下根系發(fā)達(dá)，地上部分受限），本質(zhì)上是一種適應(yīng)性變化，但對(duì)農(nóng)業(yè)而言并非最佳，揭示調(diào)控這種發(fā)育可塑性的機(jī)制，有助于提高作物產(chǎn)量，同時(shí)減少肥料使用。
2026 年 2 月 26 日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)李?yuàn)?/strong>教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東院士及牛津大學(xué)吉喆博士（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生沈成波、牛津大學(xué)吉喆博士、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鐘山青年研究員焦武博士為論文共同第一作者），在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：
OsWRI1acoordinates systemic growth responses to nitrogen availability in rice 的研究論文。
該研究發(fā)現(xiàn)，OsWRI1a是協(xié)調(diào)水稻根系和莖生長(zhǎng)以響應(yīng)外部氮供應(yīng)的調(diào)控樞紐，從而穩(wěn)定根-冠比。在根系，OsWRI1a 通過(guò)促進(jìn)生長(zhǎng)素積累來(lái)增強(qiáng)氮響應(yīng)性發(fā)育，同時(shí)，莖部的 OsWRI1a 刺激分蘗發(fā)育，從而促進(jìn)莖生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)還鑒定出了一種優(yōu)良的 天然
OsWRI1a單倍型，其在氮缺乏條件下能最大程度地減少根-冠比的波動(dòng)，提高氮利用效率和谷物產(chǎn)量。
這項(xiàng)研究揭示了協(xié)調(diào)氮響應(yīng)性生長(zhǎng)分配的中樞機(jī)制，為“減肥增效”型水稻育種提供了重要的理論創(chuàng)新與基因資源，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供了新思路。
植物進(jìn)化出了優(yōu)化資源分配的能力，使其能夠在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)波動(dòng)的環(huán)境中適應(yīng)性生長(zhǎng)。氮（N）是一種決定生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的重要宏量元素。因此，當(dāng)外部氮水平發(fā)生變化時(shí)，植物會(huì)經(jīng)歷深刻的發(fā)育重編程。在氮缺乏的情況下，大多數(shù)植物會(huì)將生物量重新分配到根部以增強(qiáng)養(yǎng)分搜尋能力，而在氮供應(yīng)充足時(shí)，資源則會(huì)重新分配到地上部分以促進(jìn)地上生長(zhǎng)。
在水稻中，氮限制通過(guò)破壞氨基酸轉(zhuǎn)移酶DNR1的穩(wěn)定性，導(dǎo)致根部生長(zhǎng)素積累，從而促進(jìn)根系發(fā)育。相反，氮含量升高會(huì)增加地上部分NGR5的豐度，從而激活多個(gè)地上分枝基因的表達(dá)，促進(jìn)分蘗。然而，協(xié)調(diào)根系和地上部分發(fā)育的氮響應(yīng)重編程機(jī)制，在很大程度上仍不清楚。
在氮素限制條件下，根-冠生物量比（root-to-shoot biomass ratio）的增加，對(duì)農(nóng)業(yè)而言是不利的，因?yàn)楦颠^(guò)度生長(zhǎng)會(huì)促進(jìn)地下競(jìng)爭(zhēng)，而地上部分生長(zhǎng)受限則會(huì)降低谷物產(chǎn)量。在氮素供應(yīng)變化的情況下保持穩(wěn)定的根-冠比，既能維持產(chǎn)量，又能減少對(duì)環(huán)境不可持續(xù)的化肥投入的依賴(lài)。
為了確定協(xié)調(diào)氮素響應(yīng)發(fā)育重編程的分子參與者，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了突變體篩選，并克隆了 LOC_Os11g03540，該基因?qū)?yīng)于種子油生物合成調(diào)節(jié)基因
OsWRI1a
oswri1a突變體在高氮和低氮供應(yīng)條件下均表現(xiàn)出相似的根-冠生物量比，且碳再分配未發(fā)生改變。該研究進(jìn)一步揭示了 OsWRI1a 協(xié)調(diào)氮素響應(yīng)發(fā)育的機(jī)制，并評(píng)估了其作為作物改良遺傳靶點(diǎn)的潛力。
具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，OsWRI1a 通過(guò)共同和獨(dú)特的機(jī)制來(lái)調(diào)控地上部分和根系的發(fā)育。在莖葉部分，OsWRI1a 作為轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮作用，直接促進(jìn)
NGR5的表達(dá)，從而增強(qiáng)分蘗。在根系中，OsWRI1a 上調(diào)多個(gè)參與氮代謝的基因，從而提高氮素利用效率 （NUE） 。根系中的 OsWRI1a 擾亂了 DNR1 與 F-box 蛋白 RNR10 之間的相互作用，RNR10 單泛素化 DNR1 以抑制其降解。RNR10 還介導(dǎo) OsWRI1a 自身的多泛素化和降解。OsWRI1a 含量升高會(huì)破壞 DNR1 的穩(wěn)定性，促進(jìn)生長(zhǎng)素積累，從而增強(qiáng)根系發(fā)育。相反，RNR10 在分蘗芽中未檢測(cè)到對(duì) OsWRI1a 降解的顯著作用，這表明 OsWRI1a 穩(wěn)定性存在組織特異性調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)表明， OsWRI1a 作為一個(gè)調(diào)控樞紐，將兩個(gè)先前獨(dú)立的機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，協(xié)調(diào)氮響應(yīng)的根系和莖葉發(fā)育。
最后，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出一個(gè)在秈稻品種中占主導(dǎo)地位的
OsWRI1a單倍型，其能提高 OsWRI1a 的含量。將該等位基因通過(guò)基因工程手段導(dǎo)入粳稻品種中，顯著提高了氮素利用效率和谷物產(chǎn)量。
OsWRI1a 介導(dǎo)氮響應(yīng)根系和分蘗生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)
基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論——氮素響應(yīng)的 OsWRI1a 通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活與分蘗和氮素代謝相關(guān)的基因，并通過(guò)破壞根部生長(zhǎng)素積累的 RNR10-DNR1 負(fù)調(diào)控模塊，從而整合根和莖的發(fā)育調(diào)控。導(dǎo)入一種能提高其豐度的優(yōu)良天然
OsWRI1a單倍型，使植物在氮素限制條件下能夠維持穩(wěn)定的根-冠比，并提高谷物產(chǎn)量 ， 顛覆了“低氮必抑冠層”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，表明了 OsWRI1a 是可持續(xù)作物改良的一個(gè)有前景的目標(biāo)。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384
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