贵州大学在氮浓度影响水稻穗分枝发育的调控机制上获得新进展

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，而氮肥在水稻生长与发育及产量维持上起重要作用。水稻生长发育不同时期形成的株型主要包括植株高度、分蘖数目、分蘖角度以及穗形态等，是水稻产量的核心因素。因此，了解外界氮素响应的水稻株型调控的潜在分子机制，将有助于我们培育出不同氮水平下高产稳产的优良水稻品种。关于氮素对水稻分蘖的影响及其调控机制，前人已做了较多的研究，然而，到目前为止，对氮素在水稻穗分枝形成中的调控机制研究较少。

近日，贵州大学农学院/水稻产业技术研究院方中明教授课题组在Plant Science在线发表了题“OsAAP15, an amino acid transporter in response to nitrogen concentration, mediates panicle branching and grain yield in rice”的研究论文，研究者以不同氮浓度处理的水稻为材料，系统观察了水稻穗部发育表型，测定了穗部不同氨基酸的动态变化，分析了氮浓度调控的关键基因的表达水平。进一步揭示了氮浓度响应的氨基酸转运基因OsAAP15在不同氮素浓度下对水稻穗分枝和产量的重要调控作用。这些结果将有助于解决在低氮或高氮浓度下穗分枝减少而造成产量降低的问题。

在该研究中，作者发现氮素浓度（0-2 mM）逐渐提高后促进了水稻穗部中一次枝梗和二次枝梗的发育进而增加水稻单株产量，但氮素浓度（2-15 mM）继续提高则抑制穗分枝从而降低水稻单株产量。为探讨不同氮浓度对水稻穗发育的调控机制，分析了氮素对穗部枝梗的细胞学形态发育的影响，发现氮浓度2 mM有利于穗分枝的发育，氮浓度2-5 mM是维管束、韧皮部和木质部发育所必需的。总氮和氨基酸含量测定表明，总氮浓度随氮浓度0-2 mM的增加而增加，随氮浓度5-15 mM的增加而降低，但氨基酸Tyr和Val的浓度随氮浓度0-15 mM的增加而持续增加。

进一步，作者对不同氮浓度处理下的一次枝梗和二次枝梗进行了转录组测序。测序结果分析表明，氮代谢、植物激素信号转导、逆境响应和光合作用途径在响应氮调控穗分枝的发育中起着重要作用。并从氮代谢通路中筛选到可能是响应氮调控穗分枝发育的关键基因OsAAP15（氨基酸转运基因），其表达在氮浓度0.5-15 mM处理的二次枝梗中持续上调。

为了探究OsAAP15基因的表达变化对穗分枝的影响，通过OsAAP15启动子-GUS染色和RT-qPCR鉴定了基因在水稻不同组织中的表达。结果表明，OsAAP15在穗部、叶片、基部和茎中高度表达，而在根尖、侧根和叶鞘中仅有少量表达。此外，在叶鞘和叶片的维管组织韧皮部、茎的薄壁细胞和幼穗内的颖片中GUS活性丰富，这表明OsAAP15可能在水稻生殖生长期叶片韧皮部到穗部的氨基酸运输中发挥关键作用。

为了进一步验证OsAAP15是否是响应氮调控水稻穗分枝发育的关键基因，研究者获得了OsAAP15过表达和敲除株系。发现OsAAP15过表达株系在大田下的一次枝梗数、二次枝梗数和产量较对照显著增加。突变体株系则相反。进一步测定了OsAAP15各株系中单个游离氨基酸含量，发现OsAAP15过表达株系中的Tyr和Val的含量较高，突变体株系则相反。此外，OsAAP15过表达株系在低氮和中氮条件下的穗分枝和穗粒数较对照显著增加，而在高氮（15 mM）下的穗分枝和穗粒数则显著减少，突变体株系则相反。这说明OsAAP15能够响应氮浓度的变化而进一步通过关键氨基酸Tyr和Val等的变化调节穗分枝的发育。

以前的研究表明，低浓度的Tyr和低浓度的Val能促进水稻分蘖芽的伸长，但增加这些氨基酸的浓度会抑制分蘖芽的伸长。本文进一步揭示了随着外源氮浓度的升高，氨基酸Tyr和Val不断增加，响应氮浓度变化的氨基酸转运基因OsAAP15的表达变化可以通过影响穗中氨基酸Tyr和Val的含量，从而调节穗分枝和产量，这表明外部不同氮浓度可以通过氮代谢途径中关键氨基酸及其转运体共同调控水稻分蘖和穗分枝。总之，本研究为氮素如何塑造水稻穗分枝提供了基础，有助于氮胁迫下水稻产量提升的分子育种实践。

贵州大学水稻产业技术研究院硕士研究生杨修艳和杨过为该文共同第一作者，贵州大学方中明教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（32260498/32060064）和贵州省科技计划项目（黔科合支撑[2022]重点026）等资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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