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院士点评Nature论文 | 中科院遗传发育所储成才团队揭示水稻氮肥利用效率的遗传基础
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北京时间2021年1月7日凌晨0时，《自然》在线发表了中国科学院遗传发育所储成才研究组最新研究成果——“Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice”。
该研究阐明了氮肥利用效率与分蘖氮响应的密切关系，鉴定到氮高效基因OsTCP19，并证明其贡献了水稻对土壤肥力的地理适应性。
OsTCP19氮高效等位在减施氮肥条件下可显著提高水稻产量和氮肥利用效率，为减肥增产提供强力的科技支撑。
自上世纪60年代以来，化学肥料特别是氮肥大规模施用促进粮食产量大幅度提升，但同时氮肥过量施用造成了如土壤酸化、空气污染和水体富营养化等一系列环境问题。因此，提高作物的氮肥利用效率是解决这一问题、实现农业绿色发展的关键。
长期高肥育种造成现代品种普遍耐高肥的特点，也导致氮肥利用相关基因或位点遗传多样性的丢失。农家品种是化肥大规模施用前保留的地方种，相较于现代品种，其同质化程度和遗传侵蚀效应较小，具有丰富的氮素利用相关的遗传多样性。
图1. 现代水稻种植大量依赖氮肥
为全面理解水稻氮肥利用效率的遗传基础，研究人员选取过去100年间全球不同地理区域52个国家（地区）的110份早期农家种进行田间农艺性状评估。发现相较于穗粒数和千粒重，水稻分蘖（分枝）氮响应能力与氮肥利用效率高度关联。随后通过全基因组关联分析和功能验证，研究者鉴定到一调控水稻分蘖氮响应的关键基因OsTCP19。
进一步研究表明，OsTCP19启动子区一段29-bp的插入缺失多态性变异是不同水稻品种分蘖氮响应差异（肥料利用效率差异）的主要原因，该29-bp序列存在与否直接决定氮响应负调控因子LBD对OsTCP19的抑制程度，从而造成OsTCP19转录水平氮响应差异。同时，OsTCP19作为转录因子可以通过分蘖正调控基因DLT调节水稻分蘖，由此构成OsTCP19对分蘖氮响应调控的分子基础。
图2. OsTCP19所参与的分蘖氮响应调控机制
有意思的是，研究表明OsTCP19氮高效基因型（OsTCP19-H）几乎全部存在于土壤贫瘠地区，而在土壤氮含量丰富的地区，这种氮高效基因型大量缺失。而我国现代主栽水稻品种（籼稻和粳稻）均含有很少的OsTCP19氮高效基因型。将该氮高效基因型通过杂交手段引入现代品种，在少施氮肥条件下小区产量和氮肥利用效率可显著提高20-30%。
图3. OsTCP19氮高效基因型减施氮肥条件下显著提高水稻品种越光的产量和氮利用效率
点评 张启发 院士（华中农业大学作物遗传改良育种国家重点实验室 遗传学家） 新时代的粮食安全既要保障不断增长的粮食总需求，同时也要确保粮食生产的资源与环境的可持续。长期以来，我国粮食作物生产以农药化肥的高投入以实现高产，造成了资源环境的严重负担。 为改变这一状况，我国农业科学家提出要实现农业的第二次绿色革命，做到“少投入、多产出、保护环境“。为实现这一目标，水稻科学家提出了”绿色超级稻“的理念，即培育和推广“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”的绿色品种和绿色技术，使农业绿色发展。 储成才团队这项出色的研究进一步解析了水稻氮肥利用效率的分子机制，为培育绿色超级稻提供了新基因，有望在实现提高产量的同时减少化肥的施用。 彭少兵 教授（华中农业大学植物科学技术学院，栽培学家） 该研究是近年来作物氮肥利用效率分子机制解析的重大突破。OsTCP19等位基因多样性与水稻地理分布有关这一发现证明，OsTCP19-H在培育氮高效品种上具有重要应用前景。 当今农业生产正面临着实现绿色可持续发展的重大挑战，水稻生产必须在不减产的前提下“减肥“，特别是减少氮肥的投入。 该成果不仅加深了我们对水稻品种氮肥利用效率的遗传调控网络的理解，同时又证明了可以通过品种选育来克服土壤肥力下降这一逆境胁迫对产量的影响，使水稻产量潜力维持在较高水平，对水稻“绿色”生产方式的实现具有重大理论和实践意义。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-03091-w
https://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1266115.html
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