Nature Genetics | 傅向东团队揭示水稻产量与氮肥利用效率协同增效的染色体三维结构调控机制

上世纪60年代，以半矮化育种为特征的“绿色革命”使得全世界粮食产量翻倍增长，但其产量增加高度依赖化肥的大量投入。在当今时代，资源环境约束已成为全球面临的重大挑战，如何在减少化肥用量的同时实现谷物产量持续增长，已成为推动“新一轮绿色革命”必须攻克的核心科学难题。

2025年10月29日，中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东团队在Nature Genetics杂志在线发表了题为Precise control of chromatin loop extrusion enhances sustainable green revolution yield in rice的研究论文，首次揭示了通过精确重塑染色质三维构象来协同提升水稻产量与氮肥利用效率的新机制，为培育“少投入、多产出”的新绿色革命品种提供了全新的理论依据与实现路径。这是该团队在

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傅向东团队长期从事作物高产与氮高效协同机制及其设计育种研究，率先揭示“绿色革命”高产品种中DELLA蛋白的积累是导致其氮肥利用效率低下的关键原因，并系统阐明了GRF4-DELLA-NGR5分子模块通过协同调控光合作用、氮代谢和植物生长，实现高产与氮高效协同提升的机制（Nature，2018；Science，2020）。此外，团队发现的高产和氮高效基因 DEP1，为在减氮条件下实现水稻稳产增产提供了关键遗传资源（Nature Genetics，2009；2014）。在前期破解碳氮代谢高效协同理论的基础上，本研究进一步引入“源-库”代谢流重编程的概念， 提出“增源”是高产的物质基础，“扩库”是高收获指数的结构保障，二者协同优化是突破当前高产氮高效协同改良育种瓶颈的核心路径。

该研究发现，位于水稻RCN2基因上游8765bp处的一个自然变异可显著调控其表达水平。RCN2蛋白通过抑制DELLA-OsSPL14之间的互作，增强了OsSPL14对下游碳氮代谢及穗发育相关基因的转录激活能力，最终协同提升了作物产量、氮肥利用效率及收获指数。为深入解析远端SNP调控基因表达的机制，研究对SNP所在的高GC含量基因间区序列进行了系统分析，发现了串联重复的CCCTC序列。CTCF（CCCTC binding factor）锌指蛋白在动物中非常保守，通过组织染色质三维结构参与基因表达调控与异染色质扩散，然而其在植物中的功能尚未见报道。

该研究首次在植物中鉴定出具有功能的绝缘子顺式元件INS及其结合蛋白OsYY1，并证实在低氮环境诱导下OsYY1通过结合RCN2基因两端的绝缘子INS序列，介导染色质成环，从而抑制RCN2转录。进一步利用基因编辑技术对局部染色质构象进行精细调控，实现了对基因空间表达模式及其环境适应的定向优化，协同增强了作物的“源”（碳氮代谢能力）与“库”（籽粒储存能力），为设计“绿色超级稻”提供了全新育种策略。值得强调的是，该研究聚焦于基因组非编码区进行定点编辑，有效规避了对蛋白质编码序列的改变，不仅拓展了基因编辑改良育种的靶标范围，也为克服基因“一因多效”导致的性状权衡提供了新思路，即通过精准调控染色质三维结构以优化基因时空表达，实现多个性状间的协同改良。这一策略为未来作物设计育种确立了可借鉴的新范式。

中国农业大学刘倩、中国科学院遗传与发育生物学研究所刘慧、福建农林大学孙丽莉和浙江理工大学汪得凯为该论文的第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东为通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青促会以及新基石项目的资助。

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02376-y