Mol Plant | 中科院遗传所小麦育种团队解析小麦氮素高效利用的分子基础

普通小麦（Triticum aestivum L.）是我国及世界的主要粮食作物，每年的种植面积超过2 亿公顷，年产量达到7.49 亿吨。随着人口的不断增长，预计到2050 年世界人口将达到96 亿。为了满足如此庞大人口对粮食的需求，小麦的产能需要在现有基础上再增加 60%。在农业生产中，土壤氮素短缺是限制作物生产的最主要因子，每年将通过施用大量氮肥来保证作物产量。随着氮肥施用量的不断增加，引起了严重的环境污染问题。因此，从全基因组水平上解析作物氮高效的遗传及分子机制，培育氮高效作物新品种，提高作物的氮素利用效率，是解决我国及世界农业的面源污染，实现农业可持续发展和保护环境的关键。

2022年7月21日，中国科学院遗传与发育生物学研究所小麦研究团队在植物学领域顶级期刊Molecular Plant发表了题为Comparative genomic and transcriptomic analyses uncover the molecular basis of high nitrogen use efficiency in the wheat cultivar Kenong 9204 的研究论文。该研究以氮高效小麦品种“科农9204”为材料。通过基因组测序，组装出了该品种的高质量基因组序列，并系统地鉴定了普通小麦的氮素吸收代谢相关基因。

通过比较基因组学分析，研究人员发现高亲和力硝酸盐转运蛋白（NRT2）基因家族在麦类作物基因组进化过程中发生了大规模扩增，并证明一些扩增基因调控区序列变异产生了基因功能分化，如响应高盐胁迫。这一发现为小麦在不同环境胁迫条件下对氮素缺乏的适应性提供了遗传基础。

对氮高效品种“科农9204”和氮低效品种“京J411”不同发育时期在不同供氮条件下的转录组的比较分析及时空共表达网络分析，鉴定出了小麦响应缺氮的关键发育时期和相关的主要代谢途径。发现缺氮对氮低效品种“京411”幼穗细胞分裂相关基因的表达抑制作用远大于氮高效品种“科农9204”。

最后，通过对氮素吸收代谢相关基因的序列、表达差异以及根系发育等方面分析，结合 “科农9204”和“京411”在高氮和低氮条件下不同发育时期的氮素吸收和积累量，发现“科农9204”氮高效是一个由多方面调控的综合表现。与“京411”相比，根系形态建成和根营养吸收相关基因的高表达、发达强壮的根系、氮素在生殖生长阶段的高效吸收和转运是形成“科农9204”氮高效的主要因素。

总体而言，该研究中获得的数据为理解小麦氮高效的分子机制提供了新的观点，并为培育氮高效的小麦新品种提供了有价值的基因资源。

中国科学院遗传与发育生物学研究所史晓黎副研究员、张娜博士、何伊琳硕士、博士生赵龙和张昊、山东鲁东大学崔法教授、中国科学院计算科学研究中心韩鑫胤为论文的共同第一作者；中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清研究员、李俊明研究员、肖军研究员、梁成志研究员、中国科学院计算科学研究中心牛北方教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委创新研究团队和重大研究计划以及中国科学院先导专项等项目的资助。

文字编辑：小邱同学

转自：植物科学最前沿

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