Science 正刊| 南京农业大学揭突破水稻氮素适应瓶颈:OsWRI1a 调控根冠协同生长的机制被阐明

氮素是作物生长发育必需的大量营养元素，但同时也是限制作物产量的主要环境因子。为了追求高产，现代农业大量施用氮肥，不仅增加了生产成本，还导致了土壤酸化、水体富营养化等严重的环境问题。因此，解析作物感知和响应氮素信号的分子机制，培育氮高效利用的水稻品种，是实现农业可持续发展的重要途径。植物在应答不同氮素供应水平时，需要协调地上部（光合作用）与地下部（养分吸收）的生长，即动态调整“根冠比”，以优化资源分配。然而，这一系统性协调生长背后的分子调控网络尚不完全清晰。WRINKLED1 家族基因在拟南芥中被证实参与碳代谢和油脂合成调控，但在水稻中其同源基因 OsWRI1a 是否参与氮素响应及生长协调尚未明确，这为该研究提供了重要探索方向。

基于上述背景，研究团队首先对不同氮供应条件下水稻的生长表型进行了细致的观察，发现氮素供应显著影响了植株的株高、分蘖数、生物量以及根系的形态。特别是通过对比HJX74和R104两个材料，研究者发现R104突变体在不同氮供应条件下表现出相对稳定的根冠比，提示其可能存在一个响应氮信号的调控中枢。

为了定位决定该性状的关键基因，研究人员利用R104与日本晴（Nipponbare）的杂交后代，通过图位克隆技术将目标区间精细定位在11号染色体上约3kb的区域内。测序分析发现，在该区间内的候选基因OsWRI1a编码区存在6-bp和4-bp的缺失，且无论是在转录水平还是蛋白水平，R104中OsWRI1a的丰度均显著低于野生型HJX74。为了验证OsWRI1a的功能，研究者将HJX74来源的OsWRI1a（包含其自身启动子）转化到R104中。功能互补试验结果显示，转基因材料（R104/pOsWRI1aHJX74:OsWRI1a-Flag）在低氮和高氮条件下的根干重、 Shoot干重以及大田产量相关性状（株高、分蘖数、穗粒数）均恢复到与HJX74相似的水平，明确证实了OsWRI1a的变异是导致R104氮响应异常的原因。

在确认OsWRI1a的核心作用后，研究团队对其分子特性进行了深入分析。通过系统发育分析，明确了OsWRI1a在水稻AP2家族中的进化位置。亚细胞定位实验显示，OsWRI1a-GFP融合蛋白定位于细胞核，且与核标记物OsWRKY29-mCherry共定位，证实其作为转录因子的核定位特性。酵母杂交试验和在水稻原生质体中的转录激活试验均表明OsWRI1a具有较强的转录激活活性，可通过直接结合氮代谢相关基因的启动子调控其表达。

为了探究OsWRI1a如何调控氮代谢，研究人员进行了转录组测序分析。通过比较野生型与oswria突变体的基因表达谱，发现多个氮代谢关键基因（如硝酸盐转运蛋白OsNRT2.3a、OsNRT2.4以及氮同化相关的OsNR2、OsNiR2）在oswria突变体中显著下调。进一步利用CUT&Tag技术在全基因组范围内鉴定OsWRI1a的结合位点，发现其能够直接结合到上述基因的启动子区域。染色质免疫沉淀-qPCR验证了OsWRI1a对这些靶标启动子的富集，而双荧光素酶报告试验则证实OsWRI1a能够强烈激活这些启动子的转录活性。功能上，与基因表达下调一致，oswria突变体的N15NO3−NO3−吸收速率显著低于野生型，而过表达材料则显著增高，充分证明了OsWRI1a通过直接调控氮转运和同化基因的表达来控制水稻对氮素的吸收。

OsWRI1a对氮代谢的直接调控解释了氮吸收效率的变化，但这能否完全解释其介导的系统性生长协调？研究者注意到，与野生型相比，oswria单突变体、oswrib单突变体以及oswria oswrib双突变体在低氮条件下的根冠比变化幅度不同，尤其是oswria突变体表现最为明显，提示可能存在一条不依赖于其转录调控活性的信号通路。为了寻找OsWRI1a的互作蛋白，研究人员通过免疫沉淀结合质谱分析，筛选到了一个关键的E3泛素连接酶复合物组分——RNR10,且OsWRI1a与RNR10之间存在直接的相互作用，还意外发现DNR1（一个已知的OsWRI1a下游靶基因产物）也能与RNR10互作，形成复杂的蛋白互作网络。

既然RNR10是一个E3连接酶的组分，那么它是否调控OsWRI1a或DNR1的蛋白稳定性？在oswria突变体背景中，DNR1蛋白的降解速度减慢，提示OsWRI1a本身可能参与了该调控过程。蛋白泛素化分析发现，OsWRI1a并不影响RNR10对DNR1的单泛素化修饰，但RNR10却能促进OsWRI1a的多聚泛素化修饰。结合蛋白酶体抑制剂MG132处理实验，研究团队证实RNR10通过介导OsWRI1a的泛素-蛋白酶体途径降解，负向调控其蛋白稳定性。有趣的是，这种调控存在组织特异性，在根中OsWRI1a被RNR10介导降解，而在分蘖芽中则相对稳定，这与其在不同组织中发挥协调生长功能的需求相匹配。

基于上述发现，研究团队构建了一个完整的分子调控模型：在根部，RNR10与OsWRI1a互作，介导其泛素化降解，从而精细调控下游氮吸收基因的表达；同时，RNR10也与DNR1互作，可能参与其他生物学过程。为了探究这一模块的育种应用价值，研究人员利用3,000份水稻重测序数据对OsWRI1a进行了单倍型分析。结果显示，OsWRI1a主要分为两个主要的单倍型（Hap1和Hap2），其中Hap1主要存在于籼稻品种中，而Hap2则多见于粳稻品种。蛋白稳定性分析表明，代表籼稻来源的OsWRI1aHX74蛋白稳定性显著高于粳稻来源的OsWRI1aZH11，这与它们在籼粳稻中的自然变异相一致。

进一步的进化分析和地理分布研究表明，OsWRI1a的不同单倍型在全球水稻种植区的分布与当地土壤的氮含量显著相关。在土壤氮含量较低的地区，编码更稳定蛋白的OsWRI1aHap1（主要存在于籼稻）频率更高。为了验证这一发现的育种潜力，研究者通过回交转育将籼稻HJX74的OsWRI1aHap1导入到粳稻品种WYJ7中，创制了近等基因系WYJ7-OsWRI1aHap1。田间试验结果令人振奋：在低氮条件下，WYJ7-OsWRI1aHap1材料的株高、分蘖数、单株产量和小区产量均显著高于受体亲本WYJ7，表现出更强的耐低氮能力和更高的产量稳定性。这一结果在海南陵水和安徽合肥两个不同生态点的多年田间试验中得到了验证，充分展示了OsWRI1a优异等位基因在水稻氮高效育种中的巨大应用潜力。

该研究不仅克隆了一个控制水稻氮素响应与根冠生长协调的关键基因OsWRI1a，更重要的是，它揭示了一条由OsWRI1a-RNR10-DNR1组成的、连接转录调控与蛋白降解的分子网络。该网络通过调控OsWRI1a自身的稳定性，精确地平衡了水稻地上部与地下部的生长，以应对外界氮素供应的变化。这一发现突破了传统上仅关注单一基因功能的局限，从系统调控的高度阐明了作物如何实现资源分配的优化。最终，通过利用自然存在的优异单倍型，成功培育出在低氮条件下仍能保持高产的育种材料，为培育“少投入、多产出”的绿色水稻品种提供了全新的遗传资源和分子设计思路。

专家点评 |万建民（中国工程院院士）

在全球粮食生产体系中，氮肥过量施用已成为生态环境与农业经济可持续发展的关键瓶颈。低氮胁迫下，植物常采取“增根抑冠”策略，虽可提高氮获取，却抑制了作物地上部光合作用与产量形成，在人口持续增长与耕地资源有限的背景下尤为不利。因此，在维持稳定的根-冠生物量比，是农业科学中亟需攻克的重大挑战。南京农业大学李姗教授团队与合作者首次鉴定出调控维持根-冠比稳态的关键基因OsWRI1a，并系统解析水稻根冠协同发育的分子机制。其独特优势在于不改变碳分配模式即可促进根系发育，同时驱动地上部分蘖与光合系统构建，从而在育种中破解“高产-高氮”矛盾，为“减肥增效”型品种选育提供精准靶标。该成果为全球氮肥减施提供可行路径：通过增强根系氮获取与地上部协同发育，可在低氮投入下维持高产；其原理不仅适用于水稻，亦可为其他主粮作物氮高效育种提供借鉴，助力绿色可持续农业发展。

传统低氮适应机制常抑制作物地上部生长，限制育种对高产的追求，在基因层面破解“增根抑冠”困局是分子育种的关键方向。该研究从根冠比对氮缺乏不敏感的突变体入手，鉴定出兼具激素调控与氮代谢激活功能的转录因子OsWRI1a。在根部，双重调控机制（干扰RNR10-DNR1复合体稳定、激活氮代谢基因）同步提升根系发育可塑性与氮吸收。在地上部，通过激活NGR5的表达促进分蘖，实现根-冠双向优化。OsWRI1a与RNR10的组织特异性互作，使根、冠发育可独立优化而不相互干扰，提升育种可操作性。优异等位基因OsWRI1a^Hap.I导入粳稻可稳定提升氮肥利用效率与产量，具有良好的生态适应性与育种兼容性。

专家点评 | 林鸿宣（中国科学院院士）

面对粮食安全与生态安全的双重挑战，作物科学亟需突破单一信号或器官的调控局限，开展多维度、跨通路的整合创新，低氮下的根-冠权衡即为典型例证。该项研究鉴定并挖掘了一个通过响应氮素变化协同调控水稻根-冠生长，从而稳定根冠比的关键因子OsWRI1a，并揭示了其完整的调控网络：在根系通过竞争性互作扰乱生长素稳态并激活氮吸收基因；在地上部通过上调NGR5促进分蘖，实现根-冠同步优化。该跨层级整合机制使育种可从单基因改良转向全网络优化。该研究鉴定到的OsWRI1a^Hap.I优异单倍型成功应用于育种改良，明显提高推广品种的氮肥利用效率和产量，为“设计型育种”提供范例。该研究在概念上突破了“低氮必抑冠”的传统认知，提出以根冠协同、碳分配不变为核心的植物环境适应新模式，为氮肥减施与稳产的协同实现提供新的理论依据。其创新性成果具备跨物种应用潜力，可推动水稻、小麦、玉米等作物向“低投入稳产出”的绿色农业模式转型，对全球农业可持续发展具有重大意义。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384

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