储成才团队揭示水稻OsTCP19基因如何解锁作物氮肥适应密码

在全球农业版图上，一个棘手的现实始终存在 —— 不同农田的氮肥施用水平差异巨大。有的地区因土壤贫瘠、施肥成本高，氮肥供应长期不足；有的地区为追求高产，则存在过量施氮的情况，土壤肥力在一定时期内持续保持超高水平。这种“氮素供给不均”的现状，对作物提出了严峻挑战：如何在不同氮环境下都能高效利用氮素、稳定产出？

华南农业大学储成才教授团队最新研究表明，通过筛选和利用水稻OsTCP19等位基因，可成功破解这一难题。相关成果于近日以Fine-tuningOsTCP19offers broad adaptation scenarios for nitrogen-use efficiency improvement in rice为题发表在Plant Physiology上。

氮敏感与氮不敏感：OsTCP19 的两种 “生存策略”

研究团队的早期研究证明，OsTCP19 基因存在两种关键的等位变异形式 ——OsTCP19-H（氮敏感型）和OsTCP19-L（氮不敏感型），这两种等位变异的分布与全球水稻产区的土壤氮素水平高度契合（图1，点击查看：）。

•OsTCP19-H：低氮地区的“生存高手”。在土壤氮含量较低区域种植的品种中 (如部分亚洲山区稻田的秋稻(aus))，OsTCP19-H 等位基因占据主导地位。它的核心优势在于“精打细算”利用有限氮素：能显著促进水稻分蘖，让植株在氮素不足时仍能形成足够的有效穗。

•OsTCP19-L：高氮地区的“稳健选手”与之相反，在氮肥供应充足农田的栽培品种中（如集约化种植平原产区的粳稻 (japonica))，OsTCP19-L等位基因更为常见。这类水稻对氮素的敏感度相对较低，不会因氮素过量而出现“徒长”等问题。

图1. 亚洲栽培稻不同亚群中OsTCP19-H和OsTCP19-L等位基因频率分布与土壤含氮量相关性关系。蓝色和红色图块表示土壤总氮含量(g/kg)，黄色和绿色柱形图表示OsTCP19-L和OsTCP19-H基因型频率。虚线框分别表示粳稻（japonica）、籼稻（indica I、indica II、indica III）、香稻（aromatic）和秋稻（aus）主要地理分布范围。

高氮下的“隐形杀手”：倒伏与OsTCP19的关键关联

提到高氮施肥，很多人会联想到高产，但往往忽略一个致命风险 ——倒伏。当氮肥施用过多时，水稻容易出现茎秆纤细、植株过高等问题，遇到风雨天气就会大面积倾倒，不仅导致机械收割困难，还会引发籽粒发芽、霉变，最终造成严重减产。研究团队发现，高氮环境下的倒伏现象，竟与OsTCP19 基因的表达密切相关 —— 这一发现为解决“高氮倒伏”难题提供了新方向。

研究团队通过实验证实：高氮诱导的倒伏具有OsTCP19依赖性。简单来说，若水稻中OsTCP19基因功能异常，高氮导致的倒伏风险会显著上升；反之，通过调控该基因的表达，则能重塑水稻株型，增强抗倒伏能力。

具体而言，当 OsTCP19 基因被适度激活（即适量过表达）时，水稻会发生两个关键变化：一是茎秆变粗、壁增厚，增强支撑力；二是植株高度得到适度控制，避免“头重脚轻”。更重要的是，这种株型优化不会以牺牲产量为代价 —— 传统抗倒伏品种常因“矮化过度”导致光合面积减少，而OsTCP19 的调控能在 “抗倒”与“稳产”之间找到完美平衡。

从“抗倒”到“增产”：OsTCP19的应用潜力

OsTCP19的价值远不止“抗倒伏”，它还为农业生产提供了两种极具潜力的 增产方案：

方案一：破解高氮“增产悖论”

长期以来，“高氮 = 高产” 的认知存在局限 —— 过量施氮虽能短期提升生物量，却因倒伏风险让实际产量“打折扣”。而通过筛选OsTCP19表达适度的等位变异，水稻在高氮环境下既能充分利用氮素促进籽粒发育，又能通过抗倒伏避免后期减产。这意味着，传统高氮施肥地区可利用该钝感等位“防倒伏”，真正实现“高氮高效、稳产增收”。

方案二：搭配密植，释放更高产量

更令人惊喜的是，OsTCP19 的调控还能与“密植”技术协同发力。虽然密植是农业生产中提高群体产量的主要栽培措施，但传统水稻（特别是粳稻品种）密植容易因植株间光照、养分竞争和倒伏风险增加而减产；但当OsTCP19表达被 “精细调节”后，水稻株型更紧凑、抗倒性更强，不仅能耐受更高的种植密度，还能通过群体光合效率的提升，实现产量的大幅增长。实验数据显示，这种“基因调控 + 密植”的组合策略，能让传统水稻的实际产量提升一个新台阶。

一个基因，适配万千农田：未来农业的“精准育种”方向

OsTCP19基因的功能探索，为农业“精准育种”提供了全新思路。不同地区的土壤氮素水平、气候条件、种植习惯千差万别，通过遗传操纵OsTCP19不同等位基因并灵活结合栽培措施，可实现氮利用效率的“精准提高”：在低氮山区，可培育携带OsTCP19-H等位基因的品种，最大化氮利用效率；在减氮施肥地区品种中，同样可以通过引入OsTCP19-H 等位基因促进产量和氮利用效率进一步提升；在高氮地区，可推广OsTCP19-L品种，兼顾稳健生长与抗倒性；而通过基因编辑技术 “精细微调” OsTCP19 的表达并结合不同种植密度，还能培育出“既抗倒、又高产、还省肥”的全能品种（图2）。

图2. 不同OsTCP19等位基因材料在不同氮肥水平和种植密度下的产量表现。A，OsTCP19适度“激活”材料和对照材料在高氮农田的表型。B，不同OsTCP19等位基因材料在低氮、高氮和不同种植密度条件下的产量统计。LN，低氮（50 kg/ha）；HN，高氮（300 kg/ha）；LD，低密度；MD，中密度；HD，高密度。

简言之，通过对OsTCP19这一个基因的操控，我们有望让水稻摆脱 “一刀切” 的种植局限，实现“一地一策”的灵活适应 —— 根据当地氮素资源情况，选择最适配的基因类型，让每一块土地都能发挥最大的生产潜力。这不仅能减少因氮肥滥用导致的环境问题（如土壤酸化、水体富营养化），更能为全球粮食安全提供“基因层面”的保障。

从一株水稻的基因里，我们看到了未来农业“精准、高效、可持续” 的可能——而这，正是基础科学研究赋能农业生产的最佳范例。

刘永强、李威威和王霄汉博士为共同第一作者。山东农科院湿地农业与生态研究所谢先芝研究员团队、中科院遗传发育所高彩霞研究员、福建农林大学海峡研究院吕培涛教授团队等参与了相关工作。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf412