揭示氮素調(diào)控開花和氮利用效率的協(xié)同機制

（2020.12.6 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）

12月5日凌晨，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)徐國華課題組在Current Biology 發(fā)表了題為“Nitrogen mediates flowering time and nitrogen use efficiency via floral regulators in rice”的長篇研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，氮素對水稻抽穗開花的影響十分復(fù)雜，是谷氨酰胺（Gln）而不是無機銨（NH4+）直接誘導(dǎo)水稻的開花，氮素過少和過多均會抑制開花。通過對水稻花器官形成部位的轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)合遺傳分析，該研究鑒定到一個受Gln影響并能調(diào)控開花時間的轉(zhuǎn)錄因子，將其命名為“首個氮素介導(dǎo)的抽穗開花因子”（N-mediated heading date-1，Nhd1）。

氮肥是農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要保障，但是氮肥的大量生產(chǎn)和施用不僅增加能源消耗和生產(chǎn)成本，加劇土壤酸化、水體富營養(yǎng)化和溫室氣體排放等資源生態(tài)環(huán)境問題，而且導(dǎo)致作物開花延遲和貪青晚熟，病蟲害增加，降低產(chǎn)量和氮肥利用效率。開花時間早晚是衡量作物生育期的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是氮肥及多種環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成起著至關(guān)重要的作用。因此，探究氮素（N）調(diào)控開花的網(wǎng)絡(luò)通路對于明晰植物營養(yǎng)與環(huán)境互作，培育花期適宜、高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)-氮肥高效品種均具有十分重要的理論和應(yīng)用價值。然而，至今為止，對氮素調(diào)控植物開花的分子遺傳機制所知甚少。

該研究發(fā)現(xiàn)，Nhd1通過正向調(diào)控，直接激活開花基因Hd3a，從而調(diào)控水稻的開花時間。無論是缺失Nhd1還是Hd3a，在不同日照條件下，水稻開花時間均往后推遲，失去開花對氮肥的響應(yīng)，增加氮的累積吸收量。與此同時，Nhd1通過負(fù)向調(diào)控，抑制氮素同化基因Fd-GOGAT，降低其酶的活性和改變谷氨酰胺含量。因此，缺失Nhd1增強氮的同化效率，同時提高產(chǎn)量和氮素利用效率。此外，從水稻核心種質(zhì)資源中，發(fā)現(xiàn)了分別為高氮促進開花、不影響開花的不同材料，Nhd1啟動子區(qū)的自然變異與其受氮素介導(dǎo)的表達調(diào)控和花期關(guān)聯(lián)。這些結(jié)果表明，在不同供氮和日照條件下，Nhd1具有平衡水稻生育期和氮素效率的功能。

該研究由徐國華教授課題組完成，張抒南博士生為該論文的第一作者，徐國華教授為通訊作者。研究得到了國家重點研發(fā)計劃及國家自然科學(xué)基金等資助。