上世纪60年代，半矮杆水稻和小麦品种的大面积推广，有效的解决了因大量施肥而引起的倒伏和减产问题，这一历史性的变革被称为绿色革命。虽然半矮化品种具有耐高肥、抗倒伏和高产等优良特性，但也存在氮肥利用率低，对氮肥依赖性强等缺点。因此，生产上为了获得高产，往往需要施用大量的氮肥，这不仅增加了生产成本，也造成了资源浪费和环境污染。

近日中科院遗传与发育生物学研究所傅向东团队联合牛津大学Nicholas P. Harberd教授团队，在国际顶级期刊Science上发表封面文章：Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice。中国科学院遗传与发育生物学研究所吴昆博士和王栓锁博士为论文共同第一作者。这是傅向东团队继2018年在Nature上发表文章：Modulating plant growth-metabolism coordination for sustainable agriculture后，又一次在水稻氮高效利用领域取得突破性进展，这些结果从分子层面上阐明了水稻高产和高氮利用效率的相互关系，并为培育高产且高效的新一代绿色革命品种提供了思路。

 

1、半矮杆水稻品种源于赤霉素合成基因SD1的突变

研究发现，在绿色革命中大面积推广的半矮杆水稻品种主要是由于赤霉素（GA）合成基因SD1的突变，导致了植物生长受阻，株高偏低。赤霉素是五大植物激素之一，能够促进细胞的伸长和分裂，进而促进植物生长。

在水稻以及其它高等植物中，赤霉素的细胞受体是F-box蛋白GID1，GID1在和配体GA结合后被激活，激活后的GID1能够和水稻DELLA家族蛋白SLR1互作，并介导SLR1蛋白的26S蛋白酶体降解。DELLA家族蛋白是一类功能广泛的生长抑制蛋白，DELLA蛋白能够抑制很多具有生长促进作用的转录因子的活性，从而抑制植物生长（图1）。

图1：植物下胚轴生长过程中赤霉素信号传导 (Li et al.2016)

 

2、半矮杆水稻品种的氮利用效率低

半矮杆水稻品种虽然高产，但是一般对氮肥的利用率较低，因此在水稻生产上，获得高产同时，需要施用大量的氮肥。那么为什么半矮杆的水稻品种的氮利用效率低呢？能否做到保留水稻品种半矮杆表型的同时获得高氮利用效率呢？傅向东团队在2018年Nature上发表文章，非常好的回答了这个问题。他们首先用图位克隆的方法获得了一个影响水稻氮利用效率的关键转录因子OsGRF4，OsGRF4和OsGIF（GRF4-interacting factor）互作并形成蛋白复合体，激活下游氮吸收和氮同化基因的表达，从而促进氮肥的利用效率。然而，文章结果显示，水稻DELLA家族蛋白SLR1也能和OsGRF4互作，并阻止OsGRF4和OsGIF互作，从而抑制植株氮的吸收和同化。

由于半矮杆水稻品种中赤霉素合成基因SD1突变，植株内源赤霉素含量低，导致DELLA家族蛋白SLR1蛋白稳定性更高。又由于SLR1能抑制OsGRF4-OsGIF的形成，从而降低植株的氮利用效率，因此半矮杆水稻品种的氮肥利用率较低。

根据以上结果，作者推论：在sd1背景下，增加OsGRF4的表达量，可以维持水稻半矮杆表型的同时，增加植株的氮利用效率，从而达到水稻高产且氮高效利用的目的。有趣的是，已有研究报道，GRF4基因的2个碱基替换（1187TC→AA）影响了miRNA396介导的对GRF4 mRNA的负调控，从而导致了谷粒变大和产量增加。这些线索无疑给我们培育高产且高效的新一代绿色革命品种提高了思路。

图2：半矮杆水稻品种表型（a）以及SLR1蛋白丰度（b）(Li et al., 2018)

 

3、半矮杆水稻品种在高氮肥条件下更高产

相对来说，半矮杆水稻品种对氮肥更加的敏感，也就是说在高氮肥的情况下，半矮杆水稻品种能获得更高的产量，那么这背后的分子机理是什么呢？能否做到在低氮肥条件下，半矮杆品种也能获得高产呢？傅向东团队在最近发表了Science封面文章，论证了这一科学问题。他们团队在EMS突变体库中，筛选了一株对氮肥不敏感的半矮杆水稻突变体，并通过图位克隆找到了这一控制水稻氮响应的关键基因NGR5。NGR5的表达受到氮肥的诱导，另外NGR5能够招募表观调控复合物PRC2到靶基因位点，介导靶基因位点的H3K27me3修饰，从而抑制靶基因的表达。NGR5的靶基因包括很多分蘖抑制基因如：D3、D14、OsTB1、OsSPL14等，因此，NGR5能够通过抑制这些分蘖抑制基因的表达而增加水稻植株的分蘖，并进而增加水稻的产量。

进一步研究表面，NGR5也是水稻赤霉素受体GID1的靶标之一，在结合赤霉素后，GID1能够和NGR5互作，并促进NGR5降解。然而在半矮杆水稻品种中，DELLA家族蛋白SLR1蛋白丰度高，而SLR1也能和GID1互作，因此，SLR1能和NGR5竞争结合GID1，从而使NGR5稳定。因此，在半矮杆水稻品种中，NGR5的蛋白丰度更高，植株对氮的响应也更灵敏。在高氮肥的条件下，植株分蘖更多，产量也越高。在当前主栽品种中，提高NGR5的表达，不仅可以有效的提高水稻的氮利用效率，而且还可以保持半矮杆水稻高产和抗倒伏的优良特性。

图3：氮响应的染色体重组调控植株分蘖特性的分子机理 (Wu et al., 2020)

 

4、水稻SLR1的关键作用

不管是在18年的Nature文章中，还是在刚发表的Science文章中，SLR1都扮演了关键作用。在18年Nature文章中，SLR1和OsGIF竞争结合OsGRF4，使得OsGRF4-OsGIF蛋白复合物丰度下降，从而抑制植株的氮肥利用效率。而在2020年的Science文章中，SLR1竞争结合了GID1，保护了NGR5不受到GID1的降解，从而增加了植株对氮肥的敏感性。由此可以看到，SLR在水稻氮利用效率方面扮演着多方面作用。事实上，SLR1是水稻赤霉素信号传导的关键因子，能通过蛋白互作的形式抑制很多转录因子的功能，并对很多植物的生长发育过程都起着关键的调节作用，因此，进一步解析SLR1的功能具有重要意义。