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

2021-02-15 BioArt植物

20世紀60年代，以半矮化育種為標誌的「綠色革命」使得水稻和小麥產量大幅度提升，但也伴隨著氮肥利用效率下降的缺點。化肥大量投入不僅增加了農業成本，也造成了土壤酸化和環境汙染等問題。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，總結了參與植物氮素吸收、同化和利用過程相關基因的研究進展，梳理了模式植物擬南芥和水稻中氮信號轉導通路，並結合本團隊最新研究進展，創新性提出將植物作為統一有機體對植物生長發育和碳氮代謝進行協同調控是實現作物高產和氮肥高效利用協同改良的有效策略。

氮肥利用效率一般由兩部分組成：氮吸收效率(Nitrogen uptake efficiency, NUpE)和生理利用效率 (Nitrogen utilization efficiency, NUtE)。植物主要依靠硝酸鹽轉運蛋白(Nitrate transporter, NRT)和銨態氮轉運蛋白(Ammonium transporter, AMT)來完成硝態氮和銨態氮的吸收和轉運，硝態氮在硝酸還原酶 (Nitrate reductase, NR)和亞硝酸還原酶 (Nitrite reductase, NiR) 的作用下轉變成 NH4+；銨態氮在穀氨醯胺合成酶/穀氨酸合成酶 (GS/GOGAT) 的作用下進入穀氨酸循環。此外，氮還作為一種信號分子，被植物細胞受體感知並引發胞內的氮信號轉導通路。以往關於植物氮素利用的研究多集中於模式植物擬南芥中，目前水稻中克隆的相關基因相對較少，尤其是在高效高產育種中能夠應用的基因更是少之又少。因此，如何挖掘新的優異等位基因並應用於育種，仍然是科學家和育種家所面臨的重要挑戰。

傅向東研究員團隊提出將水稻產量（生長發育）、光合作用和氮素代謝作為統一的整體共同調節氮肥利用效率，並相繼克隆了高產和氮高效基因DEP1、GRF4、NGR5等，為培育 「少投入、多產出、保護環境」的綠色高產高效作物新品種提供助力。

論文連結：

https://doi.org/10.1007/s42994-020-00027-w


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