中新網(wǎng)北京2月7日電 記者從中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所獲悉,該所傅向東研究員帶領(lǐng)的科研團隊歷時8年協(xié)作攻關(guān),從現(xiàn)有水稻品種中獲得關(guān)鍵基因NGR5。該研究團隊“關(guān)于赤霉素信號傳導新機制調(diào)控水稻氮肥高效利用的最新研究進展”這一重要成果,在國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》雜志上作為封面文章重點推薦。
水稻是中國最重要的糧食作物之一,對保障國家糧食安全和社會穩(wěn)定起到非常重要的作用。氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥品種,它對提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有重要作用。不過,如何從育種源頭上提高農(nóng)作物自身的氮肥利用效率,既保留以矮化育種為特征的“綠色革命”品種的高產(chǎn)特性,又能減少氮肥施用量,達到“少投入、多產(chǎn)出”目標,已成為當前中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重大問題。
傅向東研究團隊利用化學誘變和遺傳篩選,從攜帶“綠色革命”基因的水稻品種9311中篩選到一個產(chǎn)量性狀對氮素響應(yīng)不敏感的突變體,通過圖位克隆方法獲得了氮肥高效利用的關(guān)鍵基因NGR5。研究表明NGR5是水稻生長發(fā)育(包括株高、分蘗和每穗粒數(shù)等重要農(nóng)藝性狀)響應(yīng)氮素的正調(diào)控因子,同時NGR5的基因表達水平和蛋白積累量隨施肥量的增加而增加。在當前主栽高產(chǎn)品種中,提高NGR5表達量不僅提高水稻氮肥利用效率,同時還可保持其優(yōu)良的半矮化和高產(chǎn)特性,最終導致水稻在適當減少施氮肥條件下獲得更高的產(chǎn)量。研究團隊還發(fā)現(xiàn)一個新型的優(yōu)異等位基因NGR5(hap.2),其表達量對氮素改變的響應(yīng)更加敏感,將這個優(yōu)異等位變異位點導入當前高產(chǎn)品種后,有望培育出“少投入、多產(chǎn)出”的綠色高產(chǎn)水稻新品種。
研究發(fā)現(xiàn),NGR5是赤霉素信號傳導途徑的一個新的關(guān)鍵元件,它能與赤霉素受體GID1蛋白互作。NGR5還能與一種被稱作多梳抑制復合物2(PRC2)的蛋白復合物互作,通過介導H3K27me3甲基化修飾水平調(diào)節(jié)靶基因的表達,進而調(diào)控水稻分蘗等農(nóng)藝性狀及其對氮素的響應(yīng)。赤霉素通過促進NGR5蛋白降解,導致表觀遺傳修飾降低,進而增強靶基因的轉(zhuǎn)錄激活活性,實現(xiàn)赤霉素促進植物分枝生長發(fā)育。這一赤霉素信號傳導新機制的發(fā)現(xiàn),從分子水平揭示了“綠色革命”矮稈品種在高肥條件下增產(chǎn)的原因。
傅向東研究團隊表示,這次研究還發(fā)現(xiàn)NGR5與DELLA蛋白互作的機制,DELLA蛋白能競爭性結(jié)合赤霉素受體GID1蛋白,抑制赤霉素介導的NGR5蛋白降解,進而增加NGR5蛋白穩(wěn)定性。DELLA蛋白積累導致第一次“綠色革命”,實現(xiàn)植株半矮化、耐高肥和抗倒伏的高產(chǎn)目標,但也伴隨著氮肥利用效率的降低。相反,NGR5蛋白的高水平積累并不改變“綠色革命”的半矮化優(yōu)良性狀,但能增加水稻分蘗數(shù),從而實現(xiàn)在減少氮肥投入的條件下提高現(xiàn)有主栽品種產(chǎn)量和氮肥利用效率。