PBJ | 南京农大徐国华教授团队发现改善稻米蒸煮食味品质的新途径：增强氮素依赖型抽穗因子的内源表达

南京农业大学徐国华教授团队发现利用自身启动子增强水稻氮素依赖型抽穗因子（Nhd1）的内源表达，能够在不改变水稻的生育期总时长、氮素利用效率和产量的前提下，在不同供氮水平下显著提升稻米的蒸煮食味品质。该成果以“Improving rice eating and cooking quality by enhancing endogenous expression of a nitrogen-dependent floral regulator”为题，近日发表在植物学国际知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。该发现有助于突破作物高产-氮素高效利用-籽粒品质难以协调的瓶颈，为在不增加氮肥投入和牺牲生育期、产量的前提下，提高稻米品质的分子改良提供了新的思路和基因资源。

水稻的高产优质十分依赖于氮肥的施用，然而过量的氮肥不仅会造成一系列生态环境问题，同时会降低氮素利用效率并影响稻米品质，尤其是蒸煮食味品质（Eating and Cooking Quality, ECQ）。淀粉和蛋白质是稻米的主要组成成分，其中直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度、蛋白质含量等蒸煮食味品质相关指标与氮肥施用密切相关。因此，如何在兼顾高产和氮素高效利用的前提下提高稻米品质，是培育优质水稻品种的重要挑战。

徐国华团队前期已鉴定到一个氮素依赖型水稻抽穗因子(Nhd1)，Nhd1 通过协同调控氮转运蛋白（OsAMT1;3; OsNRT2;4）、氮同化酶（OsFd-GOGAT)和糖转运蛋白（OsSUT1）及抽穗因子（OsHd3a）平衡水稻的氮素吸收利用和生长发育（张抒南、张誉译等，2021, Current Biology；李康宁、张抒南等，2022, Plant Physiology; 2023, Journal of Experimental Botany）。

在本研究中，该团队利用Nhd1的自身启动子创制了其内源表达丰度得到大幅提高的水稻遗传材料（pNhd1::Nhd1）。无论在低氮（LN）和正常施氮（MN）处理下，与亲本（野生型）相比，Nhd1增强系的全生育期时长、氮素利用效率和稻谷产量并未发生明显变化，但稻米的淀粉颗粒排列松散，直链淀粉和蛋白质含量均显著下降，糊化温度降低而胶稠度增加，表明其具有更易烹饪和消化、更好口感的特征（图1）。此外，通过分析江苏部分主栽品种的稻米淀粉糊化特征（RVA）和Nhd1表达水平之间的关系，发现无论在低氮（LN）还是正常施氮（MN）条件下，RVA多个特征参数与Nhd1的转录水平呈现高度相关性（图2）。

图1：增强Nhd1的内源表达改善不同供氮水平下的稻米蒸煮食味品质。

图2：江苏部分主栽水稻品种稻米的糊化特征与其Nhd1表达丰度的相关性。

通过稻米的代谢组和转录组及其蛋白-DNA互作等深入分析，表明Nhd1通过同时调控稻米的氨基酸代谢途径和淀粉代谢途径，促进支链淀粉合成酶基因OsSSII-3的表达，降低直链淀粉合成关键基因Wx和氨基酸转运蛋白基因OsLHT1及调控谷蛋白形成的OsGluA2基因的表达，从而控制稻米的蒸煮食味品质（图3）。

图3：增强Nhd1内源表达改善稻米食味品质的作用机制示意图

南京农业大学资源与环境科学学院的在读博士生张誉译和钟山青年研究员张抒南博士为该论文的共同第一作者，张抒南和徐国华教授为共同通讯作者，该团队的刘鹰副教授等参与了该项研究。研究工作得到了扬州大学刘巧泉教授和张昌泉教授、南京大学陈迪俊副教授的帮助，得到了江苏省重点研发计划项目、江苏省种业振兴揭榜挂帅项目、国家自然科学基金等项目的资助。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14160

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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