Nature Plants | 南京农业大学宣伟课题组揭示水稻耐高铵的新机制

氮（Nitrogen, N）作为植物多种生命物质，如蛋白质、核酸、叶绿素和植物激素等的重要组成成分，是植物生长的必需养分之一，对作物的高产至关重要。水稻作为世界上重要的粮食作物，几乎养活了世界上一半以上的人口，所以其高产一直备受人们关注。氮素与水稻的生长、发育和产量息息相关，但是近年来农业化学肥料的大量施用，不仅给环境造成了严重的污染，还给水稻生长带来许多不良的影响，如病虫害、贪青晚熟等，造成了巨大的经济损失。因此，提高水稻对过量氮肥的耐受性和提高水稻氮素利用效率对于农业可持续发展具有重要的意义。

根系是植物感应、吸收和同化土壤中氮素的重要器官，但其生长发育也受到氮素的影响。铵态氮作为无机氮素的重要形态，其过量施加往往抑制植物代谢进程和生长发育，是阻碍作物生产的重要性问题。与旱作植物不同，水稻作为淹水作物，铵态氮是其主要利用的氮素形态，水稻往往体现出对铵态氮较强的耐受性。但是，水稻耐高铵的分子遗传机制仍不清楚，对水稻耐高铵机制的解析和关键调控因子的挖掘对提高植物的耐高铵和氮素利用效率具有重要的研究意义。

近日，南京农业大学宣伟教授课题组在Nature Plants在线发表了题为Plastid-localized amino acid metabolism coordinates rice ammonium tolerance and nitrogen use efficiency的研究论文，揭示了水稻根系耐高铵的关键基因ROHAN/ASL通过调控氮代谢和维持生长素稳态以促进水稻根系对铵的耐受性的分子机制。

该研究通过正向遗传学方法从水稻中鉴定到一个根系对铵盐超敏的突变体rohan并克隆了其突变基因ASL。该基因编码了一个定位在质体中的精氨琥珀酸裂解酶，其表达受铵盐诱导。通过分子和遗传学手段发现，高铵处理会导致根部谷氨酰胺的积累，进而抑制根系的伸长，而ASL通过促进根部谷氨酰胺（Glutamine, Gln）向精氨酸（Arginine, Arg）的代谢缓解铵对水稻根系生长的抑制。同时，ASL调控生长素信号和运输基因的表达，从而促进生长素在根尖分生区的积累以促进水稻根系在高浓度铵态氮处理下的伸长。同时，本研究还鉴定了ASL的自然变异位点，该位点可能与水稻籼粳亚种间的根系铵态氮敏感差异相关联。此外，过表达ASL可以显著的增强水稻根系对铵盐的耐受性，并显著提高水稻的产量和氮素利用效率。

值得一提的是，该研究是宣伟教授课题组在2020年植物权威杂志The Plant Journal (DOI: 10.1111/tpj.14978) 上发表关于氮素营养通过生长素信号通路诱导水稻根尖螺旋化“Helical root response”基础之上又一有关植物根系响应氮素营养的重要研究成果。

南京农业大学资源与环境科学学院作物遗传与种质创新全国重点实验室宣伟教授和比利时根特大学VIB植物系统生物学研究中心Tom Beeckman教授为该论文共同通讯作者，南京农业大学资源与环境科学学院钟山青年研究员谢远明和江苏省农业科学院吕远大研究员为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和三亚“崖州湾”菁英人才科技专项的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01494-x

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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