水稻氮高效基因型筛选及相关基因研究进展

刘 丹 孙玉友 柴永山 魏才强 解 忠 李洪亮 程杜娟 徐德海

（1黑龙江省农业科学院牡丹江分院，牡丹江157041；2黑龙江省农业科学院，哈尔滨150086）

近年来，我国化肥的过度施用已导致农业污染严重，提高肥料利用效率是实现“减肥控污”、加快推进生态循环农业建设的关键。然而，在我国农业生产过程中，随着土地生产力和利用率的不断下降，为了保持和追求更高的水稻产量，广大稻农不得不施用大量氮肥来实现增产目标。过多地施入氮肥，不仅增加了农业投入成本，而且产生了环境污染和稻米品质下降等问题。如何彻底改变当前这种局面，全面落实农业农村部“2020年化肥、农药使用量零增长行动”方案，提高水稻的氮肥利用效率迫在眉睫。目前来看，尽管影响水稻氮肥利用效率的因素很多，包括水稻品种类型、种植环境、栽培技术、氮肥类型以及土壤类型等，但提高水稻品种自身的氮肥利用效率依旧是根本。为了从根源上解决该问题，育种家试图从育种源头上提高水稻本身的氮肥利用效率，并取得了阶段性成果[1-2]。因此，本文通过对水稻氮高效筛选鉴定体系、水稻氮高效的形态生理特征以及氮高效基因的遗传调控机理3个方面进行了综述，以期为今后更好地开展氮高效水稻新品种选育研究提供理论参考。

1 水稻氮高效筛选鉴定体系

1.1 水稻氮效率筛选指标 目前，国内外还没有一套公认统一的水稻氮高效评价体系。国外评价水稻氮肥利用率的指标包括氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力，它们在不同的层面上反映出水稻对氮肥的利用水平。在国内，研究者们也从不同的角度开展了相关研究，并尝试建立水稻氮高效的鉴定方法[3-6]。柴煜[4]通过对285份不同基因型水稻种质在2种氮素水平下进行研究，并通过逐步回归分析进行指标优化，认为苗期分蘖数、成熟期叶绿素含量、单株产量、地上部生物学产量以及成熟期穗部性状（有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、穗长、结实率）可以用于氮高效材料的筛选鉴定。钟代斌等[5]研究表明，相对株高、相对分蘖数和相对干物质重在水稻品种中存在较大的变异，其中相对分蘖数可作为氮素利用评价的重要指标。文春阳[6]研究表明水稻的株高、有效穗数、单株产量、生物产量以及结实率可用于耐低氮和氮高效材料筛选鉴定。此外，还可根据抽穗期叶片的SPAD值和收获指数进行氮高效材料和耐低氮材料基金项目： 黑龙江省农业科学院牡丹江分院青年基金（mdj-2017）；黑龙江省农业科学院基金（2018）；国家水稻产业技术体系建设专项（CARS-01-41）；黑龙江低温黑土区春玉米、粳稻全程机械化丰产增效技术集成与示范（2018YFD0300105-3-2）的筛选评价[7-8]。可见，在进行水稻资源氮高效筛选鉴定时，应综合利用多个相关性状指标。

1.2 水稻氮效率筛选时期 水稻在不同生育期吸收和利用氮素的效率存在明显差异，选择合适的筛选时期至关重要。江立庚等[9]研究发现，水稻氮利用效率高低顺序为成熟期＞抽穗期＞分蘖期，而变异系数为抽穗期＞成熟期＞分蘖期，暗示抽穗期种间氮利用效率变异范围更大，有利于优良品种的选择。程建峰等[3]研究表明，水稻拔节期之前的植株生长吸氮量占全生育期80%以上，故拔节期是进行氮高效基因型筛选和鉴定的最佳时期。事实上，前人在水稻苗期和全生育期都进行了相关研究，并筛选鉴定出一些氮高效的水稻材料。

在水稻苗期筛选上，童汉华等[10]依据水稻相对苗高、相对单株分蘖数和相对地上部生物学产量3个性状指标，在101份不同基因型水稻种质资源中筛选出16份氮高效材料和24份氮敏感型材料。阮新民等[11]研究认为，苗期单株干物质重是其氮素效率筛选的重要指标，并初步鉴定出一个苗期氮高效品种K优52。张耀鸿[12]认为苗期氮素吸收特征分析是氮高效材料鉴定的关键，其试验表明Elio的氮素吸收效率显著高于4007和南光，且南光对低氮条件最为敏感。尹西翔[13]认为水稻的相对干物质重和相对SPAD值变化范围较大，是苗期水稻氮营养效率筛选考察指标，并从中筛选出4#、33#、65#3个氮高效品种和41#、160#、169# 3个氮低效品种。

在水稻全生育期的筛选上，魏海燕[14]以最高籽粒产量和氮素利用效率为指标，对各基因型水稻的产量和氮素利用效率进行综合的评价和分类，并筛选出6个氮高效基因型材料（9优418、武育粳3号、扬粳9538、86优8号、武粳15、泗优 422）和6个氮低效基因型材料（农垦57、武农早、郑稻5号、镇稻196、香粳20-18、T1-56）。余友玲等[15]认为整个生育期过程中氮高效品种的干物质积累量显著大于氮低效品种，并根据产量和产量增幅大小初步筛选出Ⅱ优602、两优6326、Y两优2号等6个品种为氮高效品种，新两优6号、Y两优1号、春光1号等8个品种为氮低效品种。黄永兰等[16]对氮吸收与利用等相关性状进行分析，并认为青马早和陆财早为典型氮高效型；广陆矮4号为典型耐低氮型；早89-01和早籼152适于高氮条件种植。

2 水稻氮高效材料的形态生理特征

氮高效水稻品种往往具有根系活力强、叶片代谢活力旺盛、充实度好、养分累积量大等一系列特征。根系是作物吸收营养元素的主要途径，氮利用效率高的水稻品种在整个生育期里都保持着较强的根系活力，其根系数量、根系体积以及冠根比等都较氮低效水稻品种表现出不同程度的优势[17-18]。研究发现，拔节期具有较高的根密度、根系总吸收面积、根重、根系表面积以及根系伤流量有利于提高水稻吸氮能力[19-20]。樊剑波等[19]研究表明，水稻根系形态特征和根系活力的差异是引起氮高效和氮低效差异的重要原因之一。氮高效品种南光根系对氮肥的响应高于氮低效品种Elio，其总根长和根系表面积在高氮下比低氮分别增加127%和114%。此外，在分蘖期和拔节期，水稻根系分泌有机酸和氨基酸总量与氮素利用效率均呈显著（极显著）负相关关系，其分泌组分中的草酸和天冬氨酸的分泌量也与氮素利用效率呈显著（极显著）负相关关系[21]。

叶片是进行光合作用的主要场所，水稻叶片的含氮量与其光合作用紧密相关，是影响氮素利用的重要因子。通常，叶片氮素含量高，可以延缓叶片衰老，叶片持绿时间长，从而有效延长了叶片的光合时间。Wu等[22]认为光合速率与叶片含氮量的比例是评价氮素参与光合利用的指标。魏海燕等[23]通过分析不同氮效率水稻品种叶片衰老特性，发现氮高效品种在分蘖盛期至穗原基分化、抽穗期至灌浆结实期这2个阶段的氮素吸收速率和积累量都高于氮敏感材料。此外，Ray等[24]认为水稻氮高效可能与相对低的Rubisco含量有关。江立庚等[25]研究认为培育氮高效利用基因型应注意提高单位氮素的CO2同化速率。安久海等[26]研究表明氮高效水稻品种在低氮水平下净光合速率的下降可能与RuBP羧化酶活性下降有关。

库容量也是导致不同水稻品种的产量和氮素利用效率差异的重要原因之一。张亚丽[27]研究表明，不同氮效率水稻品种的库容量差异较大，其中氮高效品种的库容量高于氮低效品种25%左右。同时，氮高效和氮低效水稻品种在分蘖动态上也差异明显。在不同氮素水平下，氮低效品种在移栽后15d左右达到分蘖最高峰，其最高分蘖数甚至超过氮高效品种，但其最终成穗率却较低，最终库容量显著低于氮高效品种。

3 水稻氮高效基因的遗传机理研究

随着分子标记技术的快速发展，前人已对水稻氮素利用效率的遗传机理开展了相关研究，检测到的QTL位点分布于水稻12条染色体上[28-30]。至今，我国科学家也已经成功分离克隆出一些参与氮素吸收调控的基因，如qNGR9、OsNRT2.3、OsPTR6、OsNAR2.1、NRT1.1B以及ARE1等。qNGR9是一个控制氮肥利用效率的主效QTL位点，该位点与DEP1位于同一个基因位点上。DEP1/DN1/qPE9-1/qNGR9编码γ亚基，G γ蛋白DEP1与G α亚基和Gβ亚基发生了互作，导致RGA1活性降低，RGB1活性增高，从而抑制了氮反应。该位点上的显性等位基因能引起稻穗变短、直立以及氮不敏感型营养生长，是功能获得性突变[31]。OsNRT2.3是一个水稻硝酸盐转运蛋白，在转录过程中通过选择性剪接产生OsNRT2.3a和OsNRT2.3b两种转录本，其中OsNRT2.3b主要在韧皮部表达，能增强水稻对pH的缓冲能力，提高氮、铁、磷的吸收和对氮的有效利用率，对植株适应不同形式的氮源十分重要。田间试验表明，过表达OsNRT2.3b可以提高水稻日本晴产量20%~54%，提高氮素利用率40%左右[32]。OsPTR6是一个小肽转运蛋白，过表达OsPTR6会明显促进不同氮素供应条件下植株的生长，但是会减少高氮环境下的氮利用效率[33]。OsNAR2.1可能在吸收和信号中发挥功能，并调控生长素从茎部向根部的转运，影响侧根形成[34]。同时，OsNAR2.1能与OsNRT2.1/2.2和OsNRT2.3a进行互作，促进水稻根系吸收硝酸盐[35-36]。有研究表明，在OsNAR2.1转基因水稻株中，OsNAR2.1的表达提高了氮肥吸收率和水稻产量[37]。NRT1.1B基因单碱基突变是导致籼稻与粳稻亚种间氮肥利用效率差异的重要原因。籼稻型NRT1.1B基因能够提高氮的吸收效率和根系间氮素的转移，上调氮素吸收相关基因的表达水平[38]。ARE1是一个氮利用效率的重要调控基因，其表达量的降低与产量直接相关。are1变异能延缓水稻植株衰老和耐受氮饥饿，在低氮水平下，具有较高的氮肥利用效率，能提高水稻10%~20%的产量[39]。

4 总结与展望

氮是影响水稻生长发育和产量形成的最重要营养元素之一。提高我国水稻氮肥利用效率，对于减少肥料资源浪费，避免环境污染具有重要意义。目前，有关水稻氮肥利用效率的研究主要包括3个方面。

（1）水稻氮高效品种的筛选。在这个过程中建立合理的水稻氮高效评价体系至关重要；在品种筛选鉴定时必须要兼顾筛选方法、筛选指标和筛选时期3个方面，这样才能保证材料筛选的准确性。

（2）水稻氮高效品种的形态生理特征分析，建立氮高效水稻理想主效模式。与氮低效品种相比，氮高效水稻品种通常会具备根系活力强、叶片代谢活力旺盛、充实度好以及结实期养分累积量大等特征，深入分析氮高效基因型品种的形态生理特征，将有助于明确氮素在植物体内的高效吸收、运转和再分配生理机制。

（3）氮高效基因的遗传分析和定位。近年来，通过开展氮高效材料的基因定位，已经克隆了一些水稻氮素利用效率基因，并阐明了它们的分子作用机制，但对于水稻氮高效的形成机制、遗传调控网络以及关键调控过程目前还没有明确的答案，有待于今后更深入的研究。

总体来看，随着水稻氮肥利用相关研究的不断深入，必将促进今后水稻氮高效品种的培育和氮肥利用效率相关性状的遗传改良，加快我国水稻产业绿色、高效、可持续发展的步伐。