20世纪60年代，以半矮化育种为标志的“绿色革命”使得水稻和小麦产量大幅度提升，但也伴随着氮肥利用效率下降的缺点。化肥大量投入不仅增加了农业成本，也造成了土壤酸化和环境污染等问题。因此，在减少氮肥投入的同时增加作物产量，已成为当前我国农业可持续发展亟待解决的重大科学问题。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员团队在期刊aBIOTECH发表了题为“Improving coordination of plant growth and nitrogen metabolism for sustainable agriculture”的综述文章，总结了参与植物氮素吸收、同化和利用过程相关基因的研究进展，梳理了模式植物拟南芥和水稻中氮信号转导通路，并结合本团队最新研究进展，创新性提出将植物作为统一有机体对植物生长发育和碳氮代谢进行协同调控是实现作物高产和氮肥高效利用协同改良的有效策略。
氮肥利用效率一般由两部分组成：氮吸收效率(Nitrogen uptake efficiency, NUpE)和生理利用效率 (Nitrogen utilization efficiency, NUtE)。植物主要依靠硝酸盐转运蛋白(Nitrate transporter, NRT)和铵态氮转运蛋白(Ammonium transporter, AMT)来完成硝态氮和铵态氮的吸收和转运，硝态氮在硝酸还原酶 (Nitrate reductase, NR)和亚硝酸还原酶 (Nitrite reductase, NiR) 的作用下转变成 NH4+；铵态氮在谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶 (GS/GOGAT) 的作用下进入谷氨酸循环。此外，氮还作为一种信号分子，被植物细胞受体感知并引发胞内的氮信号转导通路。以往关于植物氮素利用的研究多集中于模式植物拟南芥中，目前水稻中克隆的相关基因相对较少，尤其是在高效高产育种中能够应用的基因更是少之又少。因此，如何挖掘新的优异等位基因并应用于育种，仍然是科学家和育种家所面临的重要挑战。
傅向东研究员团队提出将水稻产量（生长发育）、光合作用和氮素代谢作为统一的整体共同调节氮肥利用效率，并相继克隆了高产和氮高效基因DEP1、GRF4、NGR5等，为培育 “少投入、多产出、保护环境”的绿色高产高效作物新品种提供助力。
https://doi.org/10.1007/s42994-020-00027-w
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