氮肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的“糧食”，但過量施用不僅增加成本，還會造成土壤酸化、水體富營養(yǎng)化和溫室氣體排放。如何在保證產(chǎn)量的同時降低氮肥投入，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/微量元素研究中心丁廣大教授課題組聯(lián)合國內(nèi)外多家科研機構(gòu)，在油菜氮高效利用機制研究上取得重要進展。他們對505份油菜核心種質(zhì)進行系統(tǒng)篩選，成功鑒定出一個調(diào)控硝酸鹽吸收與同化的關(guān)鍵基因 BnaA02.GLN1;2，相關(guān)成果以Enhanced activity of glutamine synthetase by manipulating a GWAS-identified BnaA02.GLN1;2 gene augments nitrate uptake and yield inBrassica napus為題發(fā)表在國際重要學術(shù)期刊Plant Cell ＆ Environment上。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，油菜不同基因型對氯酸鹽的敏感性存在巨大差異，敏感型與不敏感型之間的敏感性指數(shù)相差超過3倍。進一步分析表明，氯酸鹽敏感型品種在正常供氮條件下，根系對硝酸鹽的吸收速率提高35%，谷氨酰胺合成酶活性在根和葉中分別提升62%和39%，最終種子產(chǎn)量幾乎是對照品種的兩倍。有趣的是，這種差異并非源于硝酸還原酶活性的變化，而是由谷氨酰胺合成酶活性直接決定。使用該酶的專一性抑制劑MSX后，原本的氯酸鹽敏感表型被顯著緩解，證實了氮同化效率是決定氯酸鹽敏感性的核心因素。

通過比較氯酸鹽敏感型和不敏感型品種在正常供氮和低氮條件下的根系蛋白質(zhì)組，研究人員發(fā)現(xiàn)僅谷氨酰胺合成酶編碼基因 BnaA02.GLN1;2 在敏感型品種中顯著高表達，并且處于氮代謝互作網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點。全基因組關(guān)聯(lián)分析進一步在A02染色體上定位到一個主效QTL，其中包含100個候選基因。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，BnaA02.GLN1;2 被確認為最可能的候選基因。該基因在根中高表達，且受硝酸鹽誘導，編碼的蛋白定位于細胞質(zhì)。研究團隊構(gòu)建了BnaA02.GLN1;2過表達的轉(zhuǎn)基因油菜。在正常供氮條件下，轉(zhuǎn)基因植株的生物量、氮積累量、硝酸鹽還原酶活性以及木質(zhì)部汁液中的硝酸鹽濃度均顯著高于野生型。更重要的是，成熟期轉(zhuǎn)基因植株的單株角果數(shù)和種子產(chǎn)量顯著提升，同時種子中的芥酸和硫苷含量顯著下降，這正是“雙低”優(yōu)質(zhì)油菜育種追求的關(guān)鍵品質(zhì)指標。

通過對 BnaA02.GLN1;2 基因區(qū)間11個SNP的分析，研究人員將505份油菜種質(zhì)劃分為3種單倍型。其中Hap1為優(yōu)勢單倍型，攜帶該單倍型的材料基因表達量提高2.3倍，谷氨酰胺合成酶活性提高41%，地上部氮含量提高38%。所有編碼區(qū)的SNP均為同義突變，說明表型差異來源于啟動子區(qū)SNP導致的轉(zhuǎn)錄調(diào)控改變。

該研究首次系統(tǒng)揭示了油菜中BnaA02.GLN1;2調(diào)控硝酸鹽吸收的代謝反饋機制，增強的GS活性加速了銨的同化，降低了細胞內(nèi)銨濃度，從而解除了對硝酸鹽吸收系統(tǒng)的反饋抑制，形成一個“吸收-同化”協(xié)同放大的正循環(huán)。Hap1作為天然的優(yōu)異等位基因，可通過分子標記輔助選擇直接導入主栽品種，無需轉(zhuǎn)基因即可實現(xiàn)氮效率和產(chǎn)量的同步提升。此外，該基因過表達還降低了芥酸和硫苷含量，有望簡化“雙低”油菜的育種流程。我國油菜種植面積超1億畝，氮肥用量偏高，該發(fā)現(xiàn)為培育“少施氮、產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)”的綠色油菜新品種提供了理論依據(jù)和基因資源。

華中農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)生物學團隊已畢業(yè)博士研究生張浩（現(xiàn)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。華中農(nóng)業(yè)大學徐芳森教授、石磊教授、王創(chuàng)教授、蔡紅梅副教授、汪社亮副教授、西南大學劉海疆博士和澳大利亞樂卓博大學Surya Kant高級研究員對該研究的提供了指導和幫助。該研究工作得到農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項的資助。

華中農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)生物學團隊丁廣大教授課題組長期從事作物養(yǎng)分高效利用與抗逆機制研究，在Molecular Plant、Trends in Plant Science、Journal of Hazardous Materials、Journal of Advanced Research等期刊發(fā)表論文50余篇，以第一發(fā)明人授權(quán)專利7項，主編《土壤肥料學（第三版）》，獲植物營養(yǎng)與肥料學會科學技術(shù)獎一等獎、湖北省教學成果獎一等獎等各類獎勵6項，擔任植物營養(yǎng)與肥料學報編委、華中農(nóng)業(yè)大學學報青年編委、中國植物營養(yǎng)與肥料學會青年工作委員會副主任等職。

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http://doi.org/10.1111/pce.70614