研究發(fā)現(xiàn)水稻耐旱反應(yīng)與氮素同化協(xié)同調(diào)控的分子機(jī)制

9月14日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Molecular Plant發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)耐旱負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子DST可以直接激活硝酸還原酶編碼基因OsNR1.2的表達(dá)來(lái)調(diào)控水稻硝酸鹽同化，揭示了水稻干旱脅迫響應(yīng)與氮同化協(xié)同調(diào)控的分子模塊，促進(jìn)了對(duì)于植物干旱脅迫下氮代謝重編程調(diào)控機(jī)制的理解。

氮素利用效率（NUE）和抗旱性是越來(lái)越多被育種學(xué)家關(guān)注的兩個(gè)主要性狀，因?yàn)檫@兩個(gè)性狀不僅影響作物產(chǎn)量，而且與環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。NUE是植物生物學(xué)和農(nóng)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。一系列的轉(zhuǎn)運(yùn)體、酶和信號(hào)因子已經(jīng)被確定，但它們的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制仍然很大程度上未知。先前的研究表明，氮同化在應(yīng)對(duì)干旱等環(huán)境壓力時(shí)受到抑制，這是一種適應(yīng)性代謝重編程。這種代謝重編程有助于提高植物的抗旱性，但對(duì)正常條件下高氮肥利用率的工程作物提出了挑戰(zhàn)，而揭示這一過(guò)程形成的分子機(jī)制對(duì)解決耐旱性與NUE的沖突具有重要意義。

該研究發(fā)現(xiàn)水稻耐鹽旱突變體dst在實(shí)驗(yàn)室苗期以及大田生產(chǎn)中都表現(xiàn)出低氮敏感以及氮利用效率下降的表型，表明DST是水稻氮素吸收或利用所必需的。深入研究顯示，dst及其多個(gè)等位突變體dst-crispr表現(xiàn)出低硝態(tài)氮敏感表型，同時(shí)對(duì)硝酸鹽類似物氯酸鹽表現(xiàn)出耐受表型，但在其他形態(tài)的氮為專一氮源的情況下與野生型相比沒有明顯區(qū)別，說(shuō)明DST參與調(diào)控水稻對(duì)硝態(tài)氮的吸收或同化。硝酸根還原酶活性以及硝酸根含量的測(cè)定顯示，dst突變體中的硝酸根還原酶活性降低，但硝酸根含量反而略微增加，表明DST是通過(guò)促進(jìn)硝酸根的同化而不是硝酸根的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)正向調(diào)控水稻氮素利用效率的。

通過(guò)對(duì)水稻中三個(gè)可能的硝酸根還原酶編碼基因OsNR1.1、OsNR1.2和OsNR2的表達(dá)量分析發(fā)現(xiàn)，dst突變體中僅有OsNR1.2在不同濃度硝酸根處理?xiàng)l件下的表達(dá)量均大幅度低于野生型，而進(jìn)一步的OsNR1.2啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的GUS報(bào)告基因進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)，表明DST可能通過(guò)調(diào)控OsNR1.2的表達(dá)調(diào)節(jié)硝酸根還原酶活性。結(jié)合酵母單雜交、凝膠遷移實(shí)驗(yàn)、染色質(zhì)免疫沉淀實(shí)驗(yàn)及轉(zhuǎn)錄激活實(shí)驗(yàn)，該研究進(jìn)一步證實(shí)了DST可以通過(guò)直接結(jié)合OsNR1.2啟動(dòng)子激活OsNR1.2的表達(dá)。該研究隨后的研究證實(shí)，OsNR1.2編碼了一個(gè)依賴于NADH的硝酸根還原酶，并且是水稻硝酸根同化以及氮素利用效率所必需的。

該研究對(duì)滲透脅迫下OsNR1.2在野生型中花11和dst中的表達(dá)量進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下中花11中的OsNR1.2表達(dá)量顯著下調(diào)，而在dst中OsNR1.2的下調(diào)幾乎不明顯，顯示干旱條件下硝酸根還原酶活性的下降是由DST介導(dǎo)的。有趣的是，在硝酸鹽充足時(shí)，功能缺失突變體os?nr1.2比野生型ZH11更能耐受滲透脅迫，進(jìn)一步證實(shí)了抑制氮同化有助于水稻在干旱脅迫下存活。然而，當(dāng)硝酸鹽缺乏時(shí)，突變體dst以及os?nr1.2對(duì)滲透脅迫的耐受性與野生型中花11相比無(wú)顯著差別，這一證據(jù)支持了DST-OsNR1.2模塊介導(dǎo)了滲透脅迫下氮同化的抑制。這些證據(jù)同時(shí)也表明DST-OsNR1.2模塊介導(dǎo)的干旱脅迫下氮同化重編程在抗旱性方面發(fā)揮著重要作用。

綜上，該研究不僅鑒定了兩個(gè)參與水稻氮素利用的新基因，而且揭示了干旱脅迫下氮素同化重編程的調(diào)控模塊。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)理解水稻氮素利用如何被調(diào)控以及氮代謝的重編程如何促進(jìn)環(huán)境適應(yīng)具有重要意義。新的理論框架有望為解決高氮肥利用率耐旱水稻品種選育困境提供新的視角，并對(duì)合理施用氮肥提高作物抗旱性提出關(guān)注。

該研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。