2021年2月2日，Nature Communications在线发表了南京农业大学资环学院朱毅勇教授与名古屋大学木下俊則（Toshinori Kinoshita）教授合作的论文“Plasma membrane H+-ATPase overexpression increases rice yield via simultaneous enhancement of nutrient uptake and photosynthesis”。该研究发现，在水稻中过表达细胞膜质子泵OSA1既可以促进根系对氮素等养分的吸收，又可以增大叶片的气孔开度，从而提升了水稻的氮素利用效率和光合作用速率，显著提高了水稻的产量。这一研究为农作物养分高效利用提供了理论基础，也为减少因过度施肥造成的环境污染问题及减缓温室效应提供了新的思路。
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来源 | 南京农业大学资环学院
细胞膜质子泵又称为细胞膜质子ATP酶(PM H+-ATPase)，是一种细胞中普遍存在的酶，它利用ATP水解产生的能量将氢离子排出细胞，为细胞膜内外养分等物质的运输提供膜电位和质子驱动力，质子泵在植物体中具有强大的生理功能。本研究首先确立了质子泵参与水稻对铵态氮营养的吸收调节，明确了过表达质子泵基因OSA1可以促进水稻对铵的获取与同化。同时，由于质子泵还参与了气孔对光响应的信号传导，因此过表达质子泵基因OSA1也可以增大叶片气孔开度，增强叶片对二氧化碳的吸收，促进光合作用速率。大田实验结果表明，OSA1过表达水稻产量显著增加，氮素利用率也大幅度提升；而OSA1功能敲除的水稻突变体株系表现出与过表达水稻相反的表型。转录组测序结果表明，过表达OSA1后显著提升了植株中与碳氮代谢相关的重要基因的转录水平。另外，本研究还发现OSA1过表达水稻可以同时提高其他养分（例如磷和钾）的吸收，为进一步探究水稻养分吸收的机理提供了理论基础。
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图1. 过表达OSA1显著增加了水稻的有效分蘖数和产量
图2. 过表达OSA1促进水稻铵态氮利用与光合作用的working model。
过表达OSA1提供了更多的质子驱动力促进根系对铵态氮的吸收。通过将铵同化产生的H+及时排出细胞膜外，促进了铵态氮的同化，并进一步保障了铵的吸收。另一方面，过表达OSA1增大了叶片气孔开度，促进了二氧化碳的吸收。叶片光合作用的提高可以为氮素代谢提供更多的碳源，而氮素代谢的促进又为叶片光合作用提供更多的氮源，进而促进水稻的生长。
南京农业大学资环学院张茂星博士（名古屋大学博士后）、北京大学王愔研究员、南京农业大学生命科学学院陈熙副教授、南京农业大学许飞云博士（现为福建农林大学博士后）为本论文共同第一作者，南京农业大学朱毅勇教授和日本名古屋大学木下俊則（Toshinori Kinoshita）教授为论文共同通讯作者。南京农业大学、上海交通大学、杭州师范大学、安徽科技学院、山西农业大学、中国农业科学院、日本名古屋大学和中部大学、德国李比希大学等相关合作单位的课题组师生参与了论文的部分工作。本研究得到了国家重点研发项目（2017YFD0200200/0200206）、国家自然科学基金(NSFC31471937)、日本科技部低碳技术研究与发展项目(JPMJAL1011)、日本先进科学领域研究项目(15H05956、20H05687)和安徽省自然科学基金(1608085MC59)的资助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-021-20964-4
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