近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團隊系統解析了低磷激活獨腳金內酯途徑進(jìn)而調控水稻株型和氮磷吸收的機制，為改良水稻在低磷環(huán)境中的株型、提高養分利用效率和產(chǎn)量提供了重要基因資源。這一成果有助于培育高產(chǎn)高效作物，實(shí)現農業(yè)的可持續發(fā)展。

 

　　磷是作物生長(cháng)發(fā)育必需的大量元素之一。作物的高產(chǎn)依賴(lài)于磷肥等化肥的大量投入，在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)降低了磷素的利用效率。磷礦是不可再生資源。過(guò)量的磷肥生產(chǎn)和施用導致農業(yè)資源浪費和環(huán)境污染等問(wèn)題，不利于農業(yè)的可持續發(fā)展。在低磷脅迫下，植物進(jìn)化出一系列響應機制來(lái)提高自身對磷素的利用效率。因此，挖掘植物低磷響應機制對提高磷素利用效率，減少磷肥施用，進(jìn)而實(shí)現農業(yè)的可持續發(fā)展，具有重要意義。

 

　　獨腳金內酯是一類(lèi)調控分枝數目、根系發(fā)育、菌根真菌共生等多種生物學(xué)過(guò)程的植物激素，在低磷響應中發(fā)揮重要作用。低磷脅迫顯著(zhù)誘導水稻體內獨腳金內酯的生物合成，但調控該過(guò)程的轉錄因子尚未鑒定。獨腳金內酯在低磷條件下調控水稻分蘗數目、側根密度等關(guān)鍵株型特征以及氮磷養分吸收的機制尚不清楚。

 

　　研究發(fā)現，低磷環(huán)境中水稻磷信號核心調控因子OsPHR2直接激活NSP1、NSP2以及獨腳金內酯合成基因的表達，同時(shí)，NSP1和NSP2進(jìn)一步形成異源二聚體，結合并激活獨腳金內酯合成基因的表達，導致水稻根系中獨腳金內酯含量顯著(zhù)增加，增幅達數百倍。獨腳金內酯進(jìn)一步激活其信號轉導途徑，通過(guò)促進(jìn)分蘗負調控因子OsTB1的表達抑制分蘗芽伸長(cháng)進(jìn)而降低分蘗數目。為解析獨腳金內酯調控根系發(fā)育以及養分吸收利用的機制，該研究利用能夠特異激活獨腳金內酯信號途徑的人工合成類(lèi)似物GR244DO和GR245DS，鑒定了水稻根系中獨腳金內酯的早期響應基因，結合低磷下轉錄組數據與遺傳分析，發(fā)現了CRL1是新的獨腳金內酯早期響應基因，以及低磷通過(guò)激活NSP1/2-獨腳金內酯信號通路抑制CRL1的表達進(jìn)而降低水稻側根密度。獨腳金內酯通過(guò)調控OsNRT2.1、OsNRT1.1B和OsNAR2.1等早期響應基因的表達抑制氮素吸收轉運，通過(guò)激活磷轉運蛋白編碼基因OsPTs的表達促進(jìn)磷素吸收，這是調控氮磷營(yíng)養平衡的新機制。

 

　　基于NSP-獨腳金內酯信號通路在水稻低磷響應中的重要作用，該研究嘗試通過(guò)提高NSP1和NSP2的表達水平改良水稻在低磷環(huán)境中的株型進(jìn)而提高產(chǎn)量。研究發(fā)現，利用組成型啟動(dòng)子過(guò)表達NSP1和NSP2能夠提高低磷環(huán)境中水稻的磷含量，但分蘗數目和穗長(cháng)顯著(zhù)降低，以及生物量和單株產(chǎn)量均降低。研究進(jìn)一步顯示，利用自身啟動(dòng)子過(guò)表達NSP1和NSP2，能夠適當提高水稻根部獨腳金內酯合成，增加低磷環(huán)境中氮素的吸收，進(jìn)而抑制獨腳金內酯信號轉導，促進(jìn)分蘗發(fā)育。在低磷和中磷土壤中，NSP1p:NSP1和NSP2p:NSP2植株的分蘗數目、主穗長(cháng)度和生物量與對照相比均有一定程度增加，以及單株產(chǎn)量顯著(zhù)增加。

 

　　該研究解析了低磷信號誘導獨腳金內酯合成的生化機制，揭示了獨腳金內酯信號途徑調控水稻分蘗數目和側根密度等株型特征以及氮磷吸收進(jìn)而適應低磷環(huán)境的新機制，為改良低磷條件下水稻株型和養分利用效率進(jìn)而提高產(chǎn)量提供了遺傳資源和有效策略，并為高產(chǎn)高效作物的分子設計育種奠定了基礎。

 

　　10月3日，相關(guān)研究成果以L(fǎng)ow phosphorus promotes NSP1–NSP2 heterodimerization to enhance strigolactone biosynthesis and regulate shoot and root architectures in rice為題，發(fā)表在《分子植物》（Molecular Plant）上。研究工作得到中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )的支持。南京農業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心、山東農業(yè)大學(xué)、華中農業(yè)大學(xué)、華南農業(yè)大學(xué)和中國農業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的科研人員參與研究。