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周奕華研究組在纖維素調控因子促進氮利用的研究中取得重要進展

  氮素是促進植物生長的重要營養元素,對保障農作物高産極爲關鍵。而植物生長的直觀體現爲生物量的積累。植物吸收氮素後通過氮同化等一系列代謝過程,生成核酸、蛋白等大量功能元件以滿足光合作用及生長所需。光合作用固定CO2生成碳水化合物,其中70%以上轉化爲纖維素等結構多糖用于植物體自身的生長發育,進而促進氮素吸收與利用等生理過程。植物碳-氮代謝如何協同長期備受關注,但纖維素合成與氮代謝直接的分子聯系仍鮮有報道。另一方面,氮肥過度施用常引發環境汙染,威脅農業可持續發展。提高農作物氮利用效率是解決這一難題的重要方向。從纖維生物質調控促進氮高效入手,可爲當前農業減施增效改良提供新的視角。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所、植物基因组学国家重点实验室周奕华研究组与中国水稻所钱前院士团队及扬州大学刘巧泉教授团队合作,利用正向遗传学手段发现水稻中控制纤维素水平的QTL---qCel1與氮利用效率的QTL---qNLA1共定位,基因克隆將其確定爲同一個基因、即轉錄因子MYB61。遺傳學及分子生物學實驗發現MYB61基因的啓動子區在日本晴中存在一個helitron轉座子插入,是導致其轉錄水平低于不含此插入的籼稻9311等位的主要原因;此自然變異造成了粳稻日本晴和籼稻9311纖維素合成水平及氮利用效率上的差異。深入研究發現,MYB61的轉錄可被低氮誘導,並受氮代謝關鍵控制因子GRF4的調控GRF4可以直接結合在MYB61基因的啓動子區,增強MYB61的表達;helitron轉座子插入下調其表達。GRF4功能獲得型及功能缺失型突變體表現出纖維素合成水平改變的表型,表明GRF4-MYB61調控模塊整合了控制纖維素合成水平和氮利用效率的作用通路。而且,MYB61存在籼粳分化,啓動子區的helitron轉座子插入仅在粳稻中被检测到。田間測試證實,籼稻形式的MYB61可提高纖維素合成水平及氮利用效率,將9311形式的MYB61導入多個粳稻品種均表現出增産效應,且在低氮情況下增産效果尤爲明顯。因此,該項研究揭示了碳-氮代謝的直接分子聯系、鑒定了整合碳-氮代謝的關鍵節點,爲提高水稻等農作物的氮利用效率及實現農業生産減施增效提供了分子工具和新途徑。 

 

  該研究于20201015日在Nature Communications雜志上在線發表(DOI:10.1038/s41467-020-19019-x)。周奕華研究組的博士生高易宏、揚州大學博士後許作鵬博士周奕華研究組助研張蘭軍博士爲該論文的共同第一作者,周奕華研究員和張保才青年研究員爲通訊作者。該研究得到中科院A類先導專項、國家自然科學基金委、中科院青促會的資助。 

    

 圖:GRF4-MYB61協同碳-氮代謝促進氮利用效率及作物增産. N, 正常氮; LN, 低氮.