南京农业大学科研团队与合作者揭示根冠协同助力减氮适应新机制

2月26日，南京农业大学李姗教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和英国牛津大学吉喆博士，在Science发表题为OsWRI1a coordinates systemic growth responses to nitrogen availability in rice的研究论文，首次系统解析了水稻在低氮环境下实现根-冠协同发育的分子机制，并鉴定出可同步提升氮肥利用效率与产量的OsWRI1a优异单倍型，为“减肥增效”型水稻育种提供了重要的理论创新与基因资源。

在氮素匮乏条件下，植物普遍采取“增根抑冠”策略，将更多生物量优先分配至根系以获取土壤氮资源。然而，这种以牺牲地上部生产力为代价的适应模式，往往限制光合产物积累与籽粒灌浆，制约作物产量潜力。在全球粮食需求增长与氮肥减施压力的双重背景下，如何在不牺牲地上部生产力的前提下精准调控根系可塑性，已成为作物可持续遗传改良的核心挑战。

研究团队筛选到一个根-冠生物量比对氮响应不敏感的突变体，从中鉴定到了协调水稻根系与地上部响应外界氮供应、维持根-冠比稳态、促进水稻生长发育的关键因子OsWRI1a（WRINKLED1a）。该基因在低氮条件下无需改变常规的碳分配模式即可促进水稻根系的生长。此前李姗团队的研究指出，F-box蛋白RNR10可通过单泛素化修饰生长素合成抑制因子DNR1，抑制其降解，从而负调控根系氮响应（Zhang et al., Plant Cell, 2021; Huang et al., Nature Plants, 2023）。该研究进一步发现，OsWRI1a也能与RNR10互作，其K139、K156和K225位点被RNR10介导多泛素化修饰，进而被降解。OsWRI1a在根系中具有双重调控功能：一方面，它通过与DNR1竞争性结合RNR10，破坏DNR1稳定性，从而提升生长素水平，促进生长素介导的根系发育；另一方面，OsWRI1a可作为转录因子直接激活氮代谢相关基因表达，促进氮代谢过程。另外，研究还显示不同E2泛素结合酶组分及底物-SKP复合物空间构象变化可实现RNR10在单泛素化修饰DNR1与多泛素化修饰OsWRI1a之间的切换。在地上部，OsWRI1a通过激活NGR5表达促进分蘖发生。值得注意的是，OsWRI1a在分蘖芽中与RNR10呈现微弱互作，既避免OsWRI1a自身被RNR10介导的多泛素化降解，又不干扰RNR10与DNR1之间的相互作用。这一现象揭示了OsWRI1a调控机制具有明显的组织特异性。最终，将优异等位基因OsWRI1aHap.I导入粳稻品种“武运粳7号”，可在低氮条件下稳定根冠比，显著提高氮肥利用效率与产量，展现了突出的育种应用潜力。

综上，该研究从理论层面颠覆了“低氮必抑冠层”的传统观点，构建了以“根-冠协同”与“碳分配稳态”为核心的植物环境适应新机制。这一成果不仅为协调作物氮肥减施与稳产目标提供了创新性的理论依据，还为作物氮高效育种提供了基因资源和中间材料，助力农业向绿色、高效方向转型。

南京农业大学为第一单位。南京农业大学博士研究生沈成波，牛津大学吉喆博士和南京农业大学钟山青年研究员焦武博士为论文共同第一作者。牛津大学吉喆博士、中科院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和南京农业大学李姗教授为论文通讯作者。南京林业大学谢彦杰教授、南京农业大学熊国胜教授、徐国华教授和华南农业大学王少奎教授参与了本研究。感谢中科院遗传与发育生物学研究所王冰研究员提供的UBC基因扩增模板。研究得到了国家重点研发计划、江苏省双创计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、江苏省优秀博士后人才资助计划等项目的资助。

编辑丨王璐

校对丨王爽

审核丨许天颖