基础研究|水稻氮肥高效利用分子机制研究进展

广东基础研究 · 公众号 · · 2017-06-09 12:38

正文

‍肥料的投入对包括水稻在内的作物增产起了非常大的促进作用，尤其是氮肥的使用。联合国粮农组织估计，2015年全球氮肥(按N计算)总需求约为11314万吨，并将持续上升，至2018年将达到11941万吨。然而，施到土壤中的氮肥仅其中的33%能被作物利用，其余的氮肥会通过地表径流、硝酸根渗漏、大气蒸发以及反硝化作用流失。这些流失的氮肥加上生产氮肥中的能耗与排放，都增强了温室效应，破坏了农业和自然生态环境，已经威胁到人类的生存质量。因此，提高农业生产的氮利用效率是当今全球的紧迫课题，也是实现我国肥料零增加国家行动的关键之一。改良栽培模式的同时，培育氮利用高效的作物品种也是一个不可或缺的途径。这些工作的基础都需要阐明植物氮肥利用的分子机制。‍

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中国科学院华南植物园张明永研究员团队，长期致力于水稻氮肥利用的分子机制解析与分子育种。在广东省自然科学基金重点项目等资助下，研究发现：

(1) 水稻中超表达OsPTR9 (OsNPF8.20)基因可促进水稻氮的吸收，同时在少施氮肥的条件下可促进水稻增产(专利号：201110022987.3；Plant Biotech J 2013, 11:446-458)。因为在营养生长阶段，超表达OsPTR9能够促进铵的吸收，增加侧根的发生，提高水稻生物量。生殖生长阶段，超表达OsPTR9能够提高氮再动员和重新分配的运输效率，最终提高水稻产量。田间试验表明，在不施氮肥的种植下，超标达OsPTR9的水稻的产量比对照增幅最大，达到18.6%；正常施用氮肥下，超表达OsPTR9的水稻两个株系比对照增产7.2%和8.1%；施用铵态氮肥，有利于超表达水稻获得较高的产量。

(2)硝酸盐运输基‍match‍因OsNPF2.2调节硝酸根由根向地上部分转运。OsNPF2.2是一个受硝酸根诱导表达的pH依赖的低亲和NO3-转运体，在维管束特异表达，参与NO3-由根向地上部的运输，并最终影响水稻植株生长与种子发育(Sci Rep 2015, 5: 9635)。

(3)硝酸盐运输基因OsNPF7.2影响水稻NO3-在细胞内的平衡。即：OsNPF7.2是一个定位于液泡膜的NO3-转运体，影响NO3-在液泡中的积累，进而影响水稻在高浓度NO3-下的生长发育(Front Plant Sci 2016, 7:1529)。

(4)小分子RNA OsMIR393参与氮肥促进水稻分蘖的分子机制。即：氮肥可上调小分子RNA OsMIR393表达，从而抑制生长素响应基因OsTIR1与OsAFB2的表达，最终降低侧芽对生长素IAA的‍敏感性，解除IAA对侧芽生长的抑制，促进水稻分蘖芽的生长(Sci Rep 2016, 6: 32158)。

(5)将研究结果应用于水稻分子育种。近年先后培育通过审定的水稻新品种3个(植优523、园优7148和植优701)和新不育系2个(植A‍和园A)。

超表达OsPTR9可使水稻在较低氮肥水平下保持高产

水稻OsNPF2.2与OsNPF7.2分别参与将细胞间与细胞内NO₃^-运输