协调生长-代谢促进农业的可持续发展

名称：Modulating plant growth–metabolism coordination for sustainable agriculture

期刊：Nature（2018）

第一作者：李珊（南京农业大学）

通讯作者：傅向东（遗传与发育研究所）

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-018-0415-5

摘要：

   绿色革命提高了作物产量，保证了全球粮食安全，但同样也增加了由于无机氮过度投入所带来的环境问题。因此提高作物的氮肥利用率迫在眉睫，但生长，氮吸收和碳固定的共调节机制尚不清楚。本研究证明了GRF4和DELLA蛋白对立活动的平衡和物理互作所带来的生长和碳氮代谢的共调节的动态平衡。GRF4促进并整合了氮吸收、碳同化和生长，而DELLA蛋白抑制这个过程。绿色革命品种中DELLA蛋白的积累引起了株高矮化，提高产量，也降低了氮肥的利用效率。当GRF4-DELLA平衡向GRF4丰度提高时，绿色革命品种的氮肥利用效率和产量提高。植物生长和代谢共调节网络的调控是未来长久保持粮食安全的新的育种政策，也是新一轮的绿色革命。

   绿色革命品种(GRVs)的半矮化是由于Rht（小麦）、SD1（水稻）的突变促使DELLA蛋白（DELLAs）的积累所导致的。正常植物中，GA通过降解DELLAs促进生长。GRVs水稻中sd1等位基因通过减少GA生物活性，增高DELLA蛋白SLR1的积累，促使水稻半矮化，减少由于倒伏带来的减产（a，b）。

GRVs品种的抗倒伏是由于对氮肥的相对不敏感造成的。N诱导南京6号(NJ6)株高增加的效果在NJ6-sd1中降低，小麦中Rht-B1b GRVs也是（c，d）。GRV中DELLA蛋白抑制生长性N响应，但籽粒中N分配不受影响，因此N增加时产量增高，抗倒伏能力增加。但是GRV中的N利用效率降低，sd1和Rht抑制氮吸收。NJ6的NH4⁺吸收随N供应增加而降低，sd1减少幅度小，氮响应调控受影响(e)。小麦的Rht-B1b同样影响N调控的硝酸盐吸收。DELLA积累造成半矮化性状，减少生长性N响应和氮吸收。为了GRV品种高产，需要更多的氮肥供应。因此，GRV需提高NUE。

GRF4促进水稻GRV的铵盐吸收

   含sd1的36个籼稻品种和NJ6在铵盐吸收中存在差异(2a),利用BCF2群体（NJ6 X NM73）得到2个和铵盐吸收相关的QTL,qngr1：sd1；qngr2:GRF4（2b）。NM73（GRF^ngr2）杂合植株比NJ6纯合植株的铵盐吸收效率，因此GRF^ngr2增加吸收效率为半显性性状。NJ6-GRF^ngr2近等基因系的铵盐吸收速率增加。GRF4的mRNA和蛋白丰度增加，铵盐吸收速率增加；GRF4的mRNA和蛋白丰度减少，铵盐吸收速率增加（2c）。GRF4^ngr2功能等同于qngr2的功能。

   GR4F^NGR2（NJ6）和GR4F^ngr2（NM73）存在多个SNP，其中2个位于第3外显子，且组织miR396介导的GR4F^ngr2 mRNA切割，因此mRNA和蛋白丰度增加，促进铵盐吸收（2d）。RD23无以上2个SNP同样具有高铵盐吸收率，和NM73比较发现启动子区域村存在3个SNP。启动子区域存在3个单倍型，B单倍型（TZZL1和RD23）的GRF4 mRNA丰度高，铵盐吸收率高。而NM73为B单倍型，且存在抑制miR396剪切的SNP。

   NJ6 GRF4的转录本和蛋白随着N升高而降低（2ef），而高GRF4表达促进铵盐的吸收。Grf4-sd1双突变体 的铵盐吸收降低，N依赖性的生物量积累减少（2ghi）。因此,GRF4是氮响应的转录调控子，促进铵盐吸收和氮供应响应的生长，并抑制SLR1的影响。

GRF4-SLR1对N代谢的调控

   GF4和SLR1是如何相互制约调控铵盐吸收的呢？NJ6-sd1-GRF4^ngr2表现为半矮化，但分蘖数和每穗粒数和 NJ6相似，但叶、茎宽和和谷物产量升高，铵盐和硝酸盐吸收率增加，氮吸收关键酶活增加（比NJ6-sd1）(3abc).因此，GRF4促进氮吸收、同化，而SLR1抑制这个过程。

NJ6-GRF4^ngr2中GRF4上升的基因和NJ6-sd1中SLR1降低的表达基因共642个，其中很多是铵盐吸收转运蛋白基因，铵盐吸收酶基因及相应酶活在NJ6-GRF4^ngr2中提高(3def)。免疫共沉淀和EMSA实验表明GRF4可以和含有GCGG核心基序的DNA片段结合（3gh）。ChIP-PCR表明GRF4在体内可以和多种含GCGG的启动子的铵盐基因互作。GRF4转录激活实验表明GRF4转录激活可以促进铵盐和硝酸盐代谢。因此，GRF4是氮单鞋的转录激活调控子，并减轻SLR1的抑制作用。

   GA,SLR1和GRF4是如何调控N代谢的？NJ6和NJ-sd1中，GA促进铵盐的吸收速率，而多效唑（PCA）抑制这个过程，GA可以恢复PCA的抑制作用（4a）。SLR1积累降低铵盐吸收，SLR1降解增强铵盐吸收，GA-DELLA系统调控铵盐代谢基因的mRNA，GA促进，PCA抑制，GA+PCA恢复（4b）。PCA降低ChIP-PCR腹肌到GCGG基序的片段，GA促进这个过程（4c）。SLR1积累抑制GRF4结合到铵盐/硝酸盐代谢基因的启动子，因此影响mRNA丰度和铵盐代谢。

   GRF4-GIF共激活子通过QLQ结构域促进目标基因表达。BiFC和CoIP表明SLR1和GRF4-GIF复合体互作。FRET实验表明SLR1抑制GRF4和GIF互作介导目标基因的转录激活，GA可以降低抑制作用（4fghi）。因此，SLR1干扰GRF4和GIF的互作，通过两种方式降低GRF4对N代谢的促进作用。第一，SLR1降低GRF4的积累；第二，SLR1降低GRF4-GIF1的氮代谢基因的转录激活。

GRF4-SLR1将碳固定和生长联系在一起

   GRF4-SLR1互作是否调控碳固定？NJ6, NJ6-sd1，NJ6-sd1-GRF^ngr2转录组分析表明差异基因有很多和光合，蔗糖转移和代谢基因。且GRF4能与这些基因启动子中含有GCGG基序的基因互作，而SLR1抑制GRF4-GIF1转录激活。光合作用：NJ6-sd1-GRF^ngr2> NJ6-sd1> NJ6,生物量和C含量：NJ6-sd1-GRF^ngr2> NJ6 > NJ6-sd1，C/N没有变化。表明GRF4-SLR1的拮抗作用调控并协调N和C的吸收（维持CN比）。

GRF4上调细胞分裂相关基因表达，而SLR1下调这些基因。表明GRF4-SLR1拮抗调节GA介导的细胞增殖，并整合生长和CN代谢。

GRF4提高GRV的NUE和谷物产量

   B单倍型的品种一般用于高产潜力，9311(含sd)中提高GRF4的表达提高了NUE和产量（5a）。9311-GRF4^ngr2和9311一样为半矮化表型，但叶茎宽、N吸收和产量增高。在高低氮条件下，穗粒数和粒重提高，从而提高了谷物产量，可能生物量提高，所以收获指数不受影响（5bc）。9311-GRF4^ngr2比9311的地上部分总氮提高，但籽粒的氮分配和CN比不受影响. GRF4提高生物量可能是因为叶、茎宽升高而不是因为株高。

Dep1-1突变体降低营养生长的氮响应，提高NUE。提高dep1-1突变体中GRF4的表达量并不改变半矮化性状，但提高氮吸收效率。小麦中同样如此。因此在中度N条件下，提高GRF4的表达量提高水稻和小麦的产量。

总结

   本研究报道了新的植物科学研究前沿和育种策略。第一，GRF4-DELLA互作整合了生长和代谢调控。GRF4是多个氮代谢基因的转录激活调控基因，因为GRF4受N调控，且GRF活性受DELLA生长抑制的拮抗关系调控。第二，提高GRVs的GRF4的表达使GRF4-DELLA平衡向GRF4倾斜，提高碳氮吸收，生物量，叶和茎宽，但是不影响株高，抗倒伏能力不降低。GRF4的遗传变异是育种家提高作物产量和NUE的新的育种目标。这种提高将推动新一轮绿色革命，可持续地提高产量，减少氮利用带来的环境污染。