方中明教授课题组发现氮转运、同化和利用基因共表达提高水稻产量和氮利用效率

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，水稻高产依赖氮肥的施用，但过量的氮肥降低水稻植株的氮利用效率，并造成环境污染等负面影响。土壤中的无机氮通常以硝酸盐和铵盐的形式存在，是植物可以吸收和使用的主要氮类素型。另外硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和氨基酸转运蛋白等在氮素同化和再利用中起重要作用。目前已报道了硝酸盐转运蛋白、硝酸还原酶、氨基酸转运蛋白等参与水稻分蘖、产量和氮利用效率等的调控，但如何利用这些氮代谢途径中不同节点的关键基因，以促进硝酸盐和铵盐的吸收与同化，并同时加强氨基酸的利用，为水稻产量和氮利用效率的综合性协同提升提供重要支撑仍需要进一步研究。

近日，1066vip威尼斯/水稻产业技术研究院方中明教授课题组在The Crop Journal（中科院农林类一区）在线发表了题为“Co-overexpression of genes for nitrogen transport, assimilation, and utilization boosts rice grain yield and nitrogen use efficiency”的研究论文，作者以粳稻中花11为背景材料，聚合了参与氮途径不同节点的关键基因，以促进硝酸盐和铵盐的吸收和同化，并加强氨基酸利用，以提高水稻的产量和氮利用效率。研究表明共同提高表达铵盐转运基因OsAMT1;2、谷氨酰胺合成酶基因OsGS1;2和天冬酰胺合成酶基因OsAS1是通过氮途径中的关键节点来系统性提高水稻单株产量和氮利用效率的一种有效育种策略。

研究者通过氮转运、同化和利用中大量基因的SNP与单倍型分析发现，部分基因如铵盐转运基因OsAMT1;2、硝酸盐转运基因OsNPF8.9a、天冬酰胺合成酶基因OsAS1等的启动子序列存在SNP与单倍型差异（图1），可以用于共表达策略研究。对相关基因SNP形成的单倍型是否会影响基因的表达量进行了分析，发现基因OsAMT1;2、OsNPF8.9a、OsNR2、OsGS1;1，OsGS1;2、OsGS2、OsAS1和OsAS2在籼稻中的单倍型表达水平显著高于粳稻单倍型（图2），其中部分基因与产量相关表型存在关联。构建并获得了硝酸盐吸收、同化和利用材料OsNPF8.9a×OsNR2×OsGS1;2×OsAS1，铵盐吸收、同化和利用材料OsAMT1;2×OsGS1;2×OsAS1，氮素再利用相关材料OsGS2×OsAS2×OsANT3，发现硝酸盐不同浓度下株系OsNPF8.9a×OsNR2×OsGS1;2×OsAS1的第一分蘖芽和第二分蘖芽伸长显著提高，而铵盐和硝酸铵不同浓度下对上述株系的第一分蘖芽或第二分蘖芽伸长均有显著提高（图3）。进一步发现铵盐途径的OsAMT1;2、OsGS1;2、OsAS1任意两个基因的共同表达可以增加水稻生物量、分蘖和单株产量，但对穗部产量性状无明显影响，三个基因共同表达提高分蘖和单株产量最为明显。硝酸盐途径和氮素再利用途径的多基因聚合材料也提高了分蘖和单株产量，但显著程度不及铵盐途径下的材料明显（图4）。此外，多基因聚合的各种材料中谷氨酰胺合成酶活性、硝酸还原酶活性、总氨基酸浓度或氮利用效率显著提高，以铵盐途径材料OsAMT1;2×OsGS1;2×OsAS1提高最为显著。该研究综合分析了氮吸收、同化和利用等不同氮途径各节点的关键基因单倍型及其表达情况，在优质

高产的粳稻中聚合并共同提高表达了硝酸盐、铵盐或氮素再利用等途径基因，找到了利用这些基因系统性的提高水稻分蘖、产量和氮利用效率的理想方法，为水稻分子设计育种提供了有效实践途径。

1066vip威尼斯水稻产业技术研究院硕士生罗杰为该文第一作者、硕士生杭俊楠为该文的并列第一作者，方中明教授为通信作者。1066vip威尼斯水稻产业技术研究院院长赵全志教授参与了本项研究。该研究得到国家自然科学基金项目（32260498）和贵州省科技计划项目（黔科合支撑[2022]重点026）等的资助。

图1 水稻氮途径部分基因启动子序列的SNP与单倍型差异

图2 氮途径相关基因不同单倍型中各个材料的相对表达量

图3 不同氮处理下对照中花11和各种水稻多基因聚合共表达材料的第一和第二分蘖芽表型和长度

图4 对照中花11和各种水稻多基因聚合共表达材料的分蘖和单株产量表型

图5 对照中花11和各种水稻多基因聚合共表达材料的谷氨酰胺合成酶活性、硝酸还原酶活性、总氨基酸含量和氮利用效率