Nature 裡程碑!遺傳發育所儲成才課題組實現水稻施氮肥少產量高

2021-01-11 網易

　　大量施用無機氮是作物產量顯著增加的基礎，但會對生態系統造成有害影響，因此，對於未來的可持續農業而言，提高作物的氮利用效率至關重要。2021年1月6號，Nature雜誌在線發表了來自中科院遺傳與發育生物學研究所儲成才課題組題為「Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice」的研究論文，該研究表明水稻的氮利用效率的遺傳基礎與當地土壤的適應性相關。

　　

　　氮肥是植物需求量最大的礦質營養元素，農業生產中以氮肥為主的化肥投入對提高糧食產量、保障糧食安全起到了至關重要的作用。但是，氮肥的超量施用導致植物氮肥利用效率低下，引起包括溫室氣體排放、水體富營養化在內的諸多環境問題。由於土壤中氮源的種類及含量高度可變，植物在長期進化過程中形成了響應外界氮素營養條件，且整合自身氮素需求的複雜且精細的信號調控網絡。解析這一調控網絡，對於提高植物氮素利用效率（NUE，Nitrogen useefficiency）、減少農業生產中化肥投入，實現農業可持續發展具有重要意義。同時，研究利用水稻應對低氮環境的關鍵基因及其調控網絡是降低施肥和提高產量水平的有效策略。

　　

　　圖。 植物中不同層級氮信號調控網絡示意圖。

　　該研究組長期致力於水稻營養高效吸收利用的分子基礎解析及作物的分子設計育種研究，鑑定到硝酸鹽轉運蛋白NRT1.1B的自然變異是導致水稻秈粳亞群間氮利用效率差異的重要原因 (Hu et al·， Nature Genetics， 2015)。NRT1.1B的自然變異不僅導致秈稻硝酸鹽吸收及轉運的增強，同時觸發更強的硝酸鹽信號反應。

　　該研究利用從不同生態地理區域收集的一組不同水稻種質，並對氮的分櫱響應（與水稻氮利用效率最密切相關的性狀）性狀進行了全基因組關聯研究，確定了OsTCP19啟動子中的一個變體，該變體與對氮的分櫱響應（TRN）相關。研究表明，OsTCP19啟動子中29 bp的插入或缺失賦予水稻品種不同的轉錄應答和對氮的分櫱應答的變化。OsTCP19等位基因與高氮分櫱響應相關，在野生稻種群中普遍存在，但在現代品種中已大量丟失。最為重要的是，OsTCP19等位基因的地理分布與土壤氮含量密切相關，這表明OsTCP19在適應不同地理區域的當地土壤條件方面具有重要作用。

　　

　　該研究進一步發現OsTCP19本身是氮調節的，靶向DLT（油菜素內酯信號中的重要組成部分）。因此，OsTCP19–DLT模塊整合了氮和油菜素類固醇信號傳導，以轉導環境氮刺激來調節發育過程。此外，OsTCP19還可以調節氮利用基因的表達。一方面，OsTCP19通過調節分櫱促進基因的表達來介導氮觸發的發育過程。另一方面，OsTCP19通過調節氮利用基因的表達來進一步調節氮的吸收，以滿足對氮的增長需求。

　　

　　之後，該研究在低氮和中氮條件下對NIL OsTCP19-H品系及其對應的受體親本Kos進行了連續三年的大型試驗，結果顯示在低氮和中度氮條件下，NIL OsTCP19-H植物比Kos植物具有更多的分櫱數目，同時導致了NIL OsTCP19-H系中每株植物的穀物產量顯著增加。值得注意的是，在NIL OsTCP19-H品系中，低氮條件下每塊土地的實際產量和NUE分別提高了約20％和中度氮條件下的約30％。

　　

　　綜上所述，該研究表明OsTCP19中的等位基因變異有助於水稻對當地土壤氮的地理適應。野生稻中OsTCP19-H的高等位基因頻率表明，OsTCP19-H在氮含量通常較低的自然土壤中經歷了自然選擇。在不同地理位置的水稻馴化期間，田間土壤中的氮含量可能差異很大。在缺氮區域中，OsTCP19-H在低氮的選擇壓力下保留，而在富氮區域中，OsTCP19-H丟失。因此，為了實現以較低的氮獲得更高的產量，有必要將丟失的等位基因轉入到現代品種，以改良其品種。

　　附：植物學界各著名科學家對該工作的評價

　　著名植物研究中心JIC的所長評價：

　　Dear Chengcai

　　Many congratulations on your paper. This is truly ground-breaking work, and the study is beautifully-conducted.

　　Your work will have implications not only for basic understanding of how plants/rice works, but also enormous implications for reducing fertiliser use. I wish I were in Beijing to shake your hand, and so sorry that’s not possible right now.

　　With very best wishes

　　Dale

　　德國著名氮營養學家Nicolaus von Wiren 評論：

　　I am really fascinated by your story and liked it from the beginning, not only because of the uncovered regulatory module but also due to the association of the OsTCP19-H allele with low soil N. Actually, this makes a lot of sense and shows the potential of digging out such genetic variation for improving germplasm. Congratulations to this beautiful piece of research!

　　Nicolaus von Wiren

　　德國馬普分子植物生理所 Alisdair Fernie教授評論：

　　道「這項發現本身非常令人興奮，而且作者證明了OsTCP19等位基因多樣性與水稻地理分布相關，使得這項工作更具吸引力（Whilst these findings in themselves were highly exciting the fact that the authors were able to demonstrate that OsTCP19 allelic diversity was associated with rice geographic distribution rendered the work fascinating）」「這一出色研究告訴我們，通過重新追溯我們的育種歷史，並理解現代集約化農業的適應性改良，可以找到一種減少化肥投入但不犧牲糧食產量的解決方案（As such this fantastic study highlights how retracing our steps and understanding adaptation to the intensive agriculture that characterizes modern agriculture may represent one solution towards minimizing agricultural inputs without compromising yield security or even – as this example proves- enhancing yields）」。

　　參考消息：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-03091-w

　　轉載自iPlants

特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相關焦點

  • Nature 裡程碑!遺傳發育所儲成才課題組實現水稻施氮肥少而產量高...
    面對人口的爆炸式增長，長期以來育種的首要目標是高產，推動水稻第一次綠色革命的矮稈育種，使之能在大量施用化肥情況下，植株不會過高而造成倒伏，從而在高肥下獲得較高產量。然而，長期高肥下的育種導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。因此，對於未來的可持續農業而言，提高作物的氮利用效率至關重要。
  • 中科院遺傳發育所姚善國/儲成才合作揭示秈稻高溫耐受性的新機制
    責編 | 逸雲近些年，全球氣候變暖所造成的高溫脅迫持續影響著水稻的產量和品質，挖掘水稻耐高溫基因，對於改良水稻品種耐熱性至關重要。另一方面，傳統的秈粳稻由於起源地和種植範圍的差異，對於溫度的適應性也有很大差別，秈稻種植在溫度較高的地區，一般對高溫有更強的抵抗能力，但其中的遺傳基礎尚不清楚。
  • Nature|儲成才團隊揭示水稻低氮適應性的遺傳基礎
    施用氮肥可以顯著提高作物產量，但會對整個生態系統帶來多種不利的影響。因此，闡明作物氮利用效率的遺傳基礎，培育在低N條件下仍可高產的作物對未來農業的可持續發展至關重要。首先，研究人員選擇具有廣泛遺傳背景的110份水稻微核心種質材料，通過調查分析其在低、中、高N條件下產量相關農藝性狀，發現分櫱氮響應（tillering response to nitrogen, TRN）是衡量水稻N利用效率的理想指標，全基因組關聯分析（GWAS）發現一個最顯著的GWAS信號，位於第6染色體上約20 kb的區域，可以解釋這些水稻種質表型差異的20%。
  • 儲成才團隊找到使用更少的化肥,達到相同產量的方法
    2021年1月7日，中國科學院遺傳發育研究所 儲成才團隊發表題為「 Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice」研究論文， 這項研究成果揭示了氮素調控水稻分櫱發育過程的分子基礎，使得 在水稻生產中，使用更少的化肥
  • 提高氮肥利用效率哪些基因值得關注
    繼傅向東團隊「調控植物生長—代謝平衡實現可持續農業發展」入選2018年度中國科學十大進展後，「提高『綠色革命』作物品種氮肥利用效率的新機制」入選2020年度「中國生命科學十大進展」，而2021年1月6日儲成才課題組更是在Nature發表「Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice」揭示了水稻適應土壤低氮的分子基礎
  • 中科院Nature Genetics發表水稻研究新成果
    日前，來自中科院遺傳與發育研究所、中國水稻研究所、中科院上海生命科學研究院等機構的研究人員證實，異三聚體G蛋白（Heterotrimeric G proteins）調控了水稻的氮利用率。論文資深作者是中科院遺傳與發育研究所的傅向東（Xiangdong Fu）研究員，其主要研究方向為植物激素調控植物生長發育的分子機理。氮是促進植物生長和發育的必需的大量營養元素之一，佔植物乾重的1.5-2%以及植物總蛋白的16%，是胺基酸、蛋白質、核酸、葉綠素、激素等的組成成分。氮肥是農業生產中需要量最大的化肥品種，它對提高作物產量、改善農產品的質量有重要的作用。
  • 中國科學家成功鑑定水稻氮高效基因 助力農業綠色發展
    記者7日從中國科學院遺傳與發育生物學研究所(中科院遺傳發育所)獲悉，該所儲成才研究團隊通過對過去100年間收集於全球不同地理區域52個國家及地區的110份早期水稻農家種在不同氮肥條件下進行全面的農藝性狀鑑定，發現水稻分櫱(分枝)氮響應能力與氮肥利用效率變異間存在高度關聯。
  • 中國科學家發現培育綠色高產水稻新品種關鍵基因
    中科院遺傳發育所/供圖中新網北京2月7日電 (記者 孫自法)記者7日從中國科學院遺傳與發育生物學研究所(中科院遺傳發育所)獲悉，該所傅向東研究員帶領的科研團隊歷時8年協作與攻關，研究發現並從現有水稻品種中獲得關鍵基因NGR5，有望培育出「少投入、多產出」的綠色高產水稻新品種，既為綠色高產高效農作物分子設計育種奠定理論基礎，也提供出具有育種利用價值的基因資源。
  • 新發現助力「綠色革命」水稻新品種高產且高效—新聞—科學網
    這是中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員傅向東研究組的又一重大成果。該成果有助於我們進一步深入理解赤黴素信號傳導途徑調控水稻氮肥高效利用的分子機制，為「少投入、多產出」的綠色高產高效農作物新品種培育提供了一種新的育種策略，這預示著一場新的「綠色革命」即將到來。
  • 【新華網】科學家找到一個關鍵基因 或可幫助水稻實現「低肥高產...
    20%至30%，或將幫助改良水稻品種，實現少施肥、高產量的目標。　　氮肥的大量使用，數十年來大幅提升了農作物產量，但也增加種植成本，造成環境汙染的巨大壓力。長期高肥環境下的水稻育種，還導致一些重要基因丟失，造成主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。
  • 水稻產量新基因! 中國水稻研究所種質創新課題組揭示水稻籽粒大小...
    上海植生所林鴻宣研究組 （Song等, 2007） 通過圖位克隆法分離了控制粒寬和粒重的QTL—GW2，其編碼一RING型的E3泛素連接酶，通過將底物輸送到蛋白酶體降解來負調控細胞分裂。南京農業大學萬建民實驗室 （Liu等，2017） 和中科院遺傳發育研究所的李雲海實驗室 （Duan等, 2017） 幾乎同時克隆了粒寬和粒重的主效QTL—GW5 （GSE5） 。
  • 中科院遺傳發育所傅向東團隊發表「植物生長與氮素代謝協同調控促進可持續農業發展」綜述文章
    因此，在減少氮肥投入的同時增加作物產量，已成為當前我國農業可持續發展亟待解決的重大科學問題。近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究員團隊在期刊aBIOTECH發表了題為「Improving coordination of plant growth and nitrogen metabolism for sustainable agriculture」 的綜述文章，
  • 科學家找到一個關鍵基因 或可幫助水稻實現「低肥高產」
    新華社北京1月7日電（記者董瑞豐）我國科學家最新研究發現，一個名為OsTCP19的基因在減氮情況下可以提高水稻氮肥利用效率20%至30%，或將幫助改良水稻品種，實現少施肥、高產量的目標。該成果北京時間7日由國際知名學術刊物《自然》發布。
  • 水稻耐受土壤低氮適應性機制研究獲進展
    面對人口增長，育種的首要目標是高產，推動水稻第一次綠色革命的矮稈育種，使之能在大量施用化肥情況下，植株不會過高而造成倒伏，從而在高肥下獲得較高產量。然而，長期高肥下的育種導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。
  • 中科院遺傳所程祝寬課題組創製水稻無融合生殖遺傳材料
    近期，Journal of Integrative Plant Biology 在線發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所
  • 南農/華農合作團隊揭示生長素穩態調控水稻氮肥利用效率的機理
    然而，近年來氮肥使用量的攀升並未帶來農作物產量的大幅提高，經濟效益和生態效益反而呈下降趨勢。如何提高氮肥利用效率已成為農業生產中亟待解決的問題。培育氮肥高效利用的作物新品種是降低生產成本、減少環境汙染、大幅增加生態效益的有效途徑。
  • 中國水稻遺傳育種歷程與展望
    水稻功能基因組研究為第二次綠色革命準備了大量的有重要利用價值的基因，水稻育種正邁向設計育種的新時代。基因組選擇技術和轉基因技術將為培育「少打農藥，少施化肥，節水抗旱，優質高產」 綠色超級稻保駕護航。「廣場矮」的培育以及IR8的引進推動了我國水稻育種進入第一次「綠色革命」時代，水稻畝產從50年代的164千克提高到70年代初的238千克，水稻單產提高了將近45%，實現了水稻產量的第一次飛躍。實際上矮稈品種單株產量略微下降，但是由於其耐密植和抗倒伏，群體產量大幅度提升；同時矮稈品種的耐肥能力強，氮素吸收利用效率低，大量氮肥的施用在提高產量的同時使土壤和環境受到破壞。
  • 遺傳發育所等作物馴化基因平行選擇研究取得進展
    中國科學院遺傳與發育生物學研究所田誌喜研究組和儲成才研究組合作，聯合美國喬治亞大學教授Scott Jackson等團隊，通過全基因組關聯分析，鑑定到一個控制大豆種皮綠色的G基因。進一步研究發現，G在水稻和番茄中的同源基因在馴化過程中也受到選擇。遺傳學實驗同樣證明，G在水稻馴化中同樣與種子休眠減弱相關。此外，擬南芥中該基因的同源基因也參與種子休眠調控，且野生群體中不同單倍型在休眠特性上也存在明顯差異。
  • 專家建議:從源頭控制化學氮肥汙染環境
    中科院院士，中科院南京土壤所研究員 趙其國 土壤地理學家。中科院院士，中科院南京土壤所研究員 匡廷雲 植物生理生化學家。中科院院士，中科院植物研究所研究員 吳常信 動物遺傳育種與畜牧學家。中科院院士，中國農業大學教授 鄧子新 微生物遺傳學家。中科院院士，上海交通大學教授 葛 誠 農業微生物學家。
  • 中科院遺傳發育所等找到水稻硒轉運有效途徑
    中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員儲成才課題組和河南科技大學教授張聯合，在一項研究中找到了提高水稻根中硒向莖葉轉運的有效途徑，為富硒水稻品種的改良提供了新的思路