近日，華中農業大學資源與環境學院/微量元素研究中心丁廣大教授課題組在Plant Cell ＆ Environment期刊上發表題為“Enhanced activity of glutamine synthetase by manipulating a GWAS-identified BnaA02.GLN1;2 gene augments nitrate uptake and yield in Brassica napus”的研究成果。華中農業大學植物營養生物學團隊已畢業博士研究生張浩（現為湖南省棉花與蠶桑研究所助理研究員）和在讀博士生任璐璐為論文共同第一作者，丁廣大教授為論文通訊作者。

研究團隊首先對505份甘藍型油菜自然群體進行了氯酸鹽（ClO3-）敏感性篩選。氯酸鹽因結構類似硝酸鹽（NO3-），可被植物作為硝酸鹽的“類似物”吸收并還原為有毒的亞氯酸鹽，其導致的生長抑制程度可間接反映植株的硝酸鹽吸收和還原能力。結果顯示，不同油菜基因型間氯酸鹽敏感性存在高達10倍的差異，變異系數達到42.1%。

根據氯酸鹽敏感性，研究團隊篩選出極端敏感的基因型（CSG）和極端不敏感的基因型（CIG）。比較分析發現，在高氮供應下，CSG的15NO3-吸收速率比CIG高出35%，根系谷氨酰胺合成酶（GS）活性提升40%~62%，最終籽粒產量近乎CIG的兩倍。值得注意的是，兩種基因型間的硝酸還原酶（NR）活性并無顯著差異。這一現象表明，決定氯酸鹽敏感性的關鍵可能并非硝酸鹽的初始還原步驟，而是下游的銨同化過程。

為進一步驗證這一假說，研究團隊使用GS特異性抑制劑L-甲硫氨酸亞砜亞胺（MSX）處理植株。結果顯示，MSX處理顯著降低了GS活性，同時氯酸鹽誘導的生長抑制表型得到明顯緩解，而NR活性未受顯著影響。這一結果表明GS活性與氯酸鹽敏感性表型密切相關。

隨后，研究人員對CSG和CIG在高低氮條件下的根系蛋白質組進行了比較分析。結果顯示，在正常供氮條件下，CSG與CIG之間的差異蛋白主要富集于“氮代謝”通路。其中，BnaA02.GLN1;2（編碼細胞質谷氨酰胺合成酶GS1）被鑒定為核心樞紐蛋白，在CSG中豐度顯著高于CIG。蛋白互作網絡分析進一步表明，該蛋白與多個硝酸鹽轉運蛋白和氮代謝關鍵酶高度關聯。

通過遺傳轉化，研究團隊在油菜品種Westar 10中過表達了BnaA02.GLN1;2基因。表型分析顯示，過表達株系對氯酸鹽的敏感性顯著增強，同時在高氮條件下的幼苗生長、硝酸鹽吸收和同化能力均顯著提升。具體而言，與野生型相比，過表達株系地上部干重平均增加56%，根系干重增加67%，NR活性提高約40%，木質部汁液中NO3-濃度也明顯升高。

更重要的是，在正常供氮盆栽條件下，BnaA02.GLN1;2過表達株系的成熟期單株產量顯著提高，單株角果數、每角粒數和千粒重均有增加。尤為令人振奮的是，過表達株系種子中的芥酸和硫苷含量顯著降低，這兩個指標正是評價油菜籽食用品質的關鍵參數。這意味著BnaA02.GLN1;2的過表達不僅能提高氮效率和產量，還能同步改善種子的營養與安全性狀，為“雙低”油菜育種提供了新路徑。

為了揭示BnaA02.GLN1;2基因的自然變異及其育種潛力，研究團隊開展了全基因組關聯分析（GWAS），在A02染色體上鑒定到一個與氯酸鹽敏感性緊密相關的主效QTL。進一步分析顯示，該區段內共存在100個基因，其中BnaA02.GLN1;2在氮供應條件下表達上調最為顯著。

通過對該基因的啟動子和基因組序列進行單倍型分析，研究人員在505份材料中鑒定出11個SNP位點，可將群體劃分為3種單倍型。其中，BnaA02.GLN1;2Hap1為優異單倍型，其基因表達水平、GS活性、地上部氮含量均顯著高于BnaA02.GLN1;2Hap3。值得注意的是，所有編碼區SNP均為同義突變，表明單倍型間功能差異主要源于啟動子區的序列變異所導致的轉錄水平差異，而非酶蛋白功能改變。

綜合以上發現，研究團隊提出了BnaA02.GLN1;2協同提升氮效率、產量和品質的工作模型：該基因的高表達增強了根系和地上部的GS活性，促進NH4+向谷氨酰胺的高效轉化，降低細胞內NH4+濃度，從而解除銨對硝酸鹽吸收的反饋抑制，形成一個“吸收—同化—再吸收”的正向循環；同時，谷氨酰胺和谷氨酸含量的增加為氨基酸和蛋白質合成提供了充足的氮骨架，最終促進植株生長、提高產量，并降低了籽粒中有害成分的積累。

BnaA02.GLN1;2協同提升氮效率、產量和品質的工作模型