两篇NC进一步解析了水稻氮利用率调控网络

最近两篇Nature Communications文章（万建民和钱前院士课题组各一篇），分别解释了籼粳亚种间硝酸盐转运和同化的差异，为提高水稻尤其是粳稻的氮肥利用率提供了新的思路。

文章一

题目：The Indica nitrate reductase gene OsNR2 allele enhances rice yield potential and nitrogen use efficiency

通讯作者：钱前（中国水稻所）

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-019-13110-8

次氯酸盐是硝酸盐的类似物，可以被水稻根系通过硝酸盐转运途径吸收，经硝酸盐还原酶(NR)还原成亚次氯酸盐，抑制水稻的生长。因此，次氯酸盐抗性可以作为硝酸盐同化效率的鉴定指标。

钱前课题组利用9311和日本晴的RILs对水稻次氯酸盐抗性相关QTLs进行鉴定，发现了6个和次氯酸盐抗性相关的QTLs，其中qCR10编码OsNRT1.1B，而qCR2为OsNR2，编码一个NAD(P)H依赖性硝酸还原酶。在日本晴中互补9311品种的OsNR2基因次氯酸盐敏感性升高，最大NR酶活和激活NR活性增高，硝酸盐吸收率增加；而降低OsNR2后次氯酸盐抗性升高，最大NR酶活和激活NR活性下降。

对9311和日本晴OsNR2蛋白编码区进行分析发现存在3个SNP和一个12bp的Indel，其中Trp779替换成Arg783后，NR酶活活性显著上升，表明该SNP是调控NR活性的关键氨基酸，且日本晴中OsNR2是弱功能性等位基因。进化分析表明OsNR2在籼粳稻中存在明显的分化，在水稻驯化过程中受到了明显的人工选择。

GUS报告基因系统和qRT-PCR结果表明OsNR2在地上和根的维管组织、幼根伸长区、花和叶中表达。日农艺性状考察发现，日本晴-OsNR2⁹³¹¹的有效分蘖增多，OsTB1表达降低，产量上升；OsNR2-RNAi的有效分蘖减少，OsTB1表达升高，产量减少。OsNR2-OE增高最大NR酶活活性，硝酸盐吸收，地上和穗部的N含量。

qCR2和qCR10均对于次氯酸盐抗性有关，那么它们之间是否存在一定的联系呢？研究发现，9311的OsNR2促进OsNRT1.1B的表达，反过来，9311的OsNRT1.1B也促进OsNR2的表达，表明两者之间存在前馈放大的关系。日本晴携带籼稻OsNRT1.1B和OsNR2的RILs中，两个基因的表达量和NR酶活均进一步升高，硝酸盐吸收，地上部和穗部N含量，有效分蘖及产量进一步增大。

总结：

籼稻OsNR2单倍型的NR酶活活性高，促进次氯酸盐敏感性及硝酸盐的吸收，提高NUE，促进籼稻产量的增加，且籼稻的OsNR2和OsNRT1.1B存在前馈放大的关系。因此，将两个基因渗透进粳稻品种中有利于提高粳稻NUE,并提高粳稻产量。

文章二

题目：Genome-wide associated study identifies NAC42-activated nitrate transporter conferring high nitrogen use efficiency in rice

通讯作者：王春明，万建民（南京农业大学）

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-019-13187-1

水稻NUE涉及N感知、吸收、转运、同化及再分配等多个过程，提高N获取需要提高有效转运和同化能力，从而促进水稻生长发育，如株高，有效穗和单株产量。

万建民课题组通过连续三年对高低氮条件下的117个系的株高，有效穗和单株产量考察，对其性状率（低氮条件性状/高氮条件性状）进行GWAS分析，关联稻7个SNP位点，5个为已知基因，2个为未知基因，分别为EPNR-1 和PHR-9。

通过对EPNR-1区间包含的8个基因表达分析发现，Os01g0103100受硝酸盐诱导，编码OsNPF6.1硝酸盐转运蛋白，具有两个单倍型。日本晴OsNPF6.1^HapB导入系得有效穗和单株产量增高，敲除OsNPF6.1^HapA后有效穗和单株产量显著下降。

对含OsNPF6.1^HapA/B的NILs表型鉴定和表达分析发现，NILs-OsNPF6.1^HapB的株高，单株产量和硝酸盐吸收量在高低氮条件下均高于NILs-OsNPF6.1^HapA。低氮条件下，NILs-OsNPF6.1^HapB中OsNPF6.1的表达量高。OsNPF6.1定位在质膜，拥有12个跨膜螺旋结构，主要在水稻侧根，根表皮细胞，叶节中表达。表明OsNPF6.1可能直接参与硝酸盐的吸收和再分配。

非洲蟾卵母细胞的异源表达实验表明，OsNPF6.1具有更硝酸盐转运活性，且OsNPF6.1^HapB的硝酸盐转运活性更高。OsNPF6.1的硝酸盐亲和力实验表明，OsNPF6.1^HapB是优异单倍型，通过提高N吸收，增强NUE。

日本晴-OsNPF6.1^HapA-OE，南京11--OsNPF6.1^HapB-OE，OsNPF6.1-D1等材料的表型鉴定表明OsNPF6.1的转录水平和体内N含量具有正相关性。OsNPF6.1 ^HapB的启动子具有73个SNP和14个Indel，且多两个CAGG基序。

GWAS鉴定到另一个NUE相关基因，最终发现OsNAC42受低氮诱导。OsNAC42和OsNPF6.1均在叶中高表达且具有相似的N饥饿响应模式。OsNAC42的启动子区域具有三个单倍型，OsNAC42^HapC具有高的PHR水平和表达量，osnac42突变体中株高和有效穗减少，OsNPF6.1表达下降，N含量下降。

ChIP-PCR和EMSA实验表明OsNAC42可以和OsNPF6.1中CAGG的启动子片段结合，且OsNPF6.1^HapB中多两个CAGG基序。OsNAC42M只能和OsNPF6.1^HapB启动子中多的CAGG基序结合。LUC报告系统实验表明，OsNAC42能够顺势激活OsNPF6.1，尤其是OsNPF6.1^HapB。OsNAC42M只能转录激活OsNPF6.1^HapB，表明OsNPF6.1^HapB对OsNAC42及其突变体更敏感。

单倍型分析表明OsNPF6.1^HapB来源于普通野生稻，且OsNPF6.1^HapB启动子能够感知体内的硝酸盐信号，并响应外界氮缺乏。拥有OsNAC42或OsNPF6.1优异等位基因的品种，具有高的NUE，如Suwon264, Kexuan13, 和IR36。 OsNPF6.1^HapB为一个稀有等位基因，具有育种潜力。

总结：

OsNAC42转录调控OsNPF6.1^HapB，通过提高硝酸盐吸收，提高调控水稻NUE。