揭示氮素调控开花和氮利用效率的协同机制

（2020.12.6 南京农业大学）

12月5日凌晨，南京农业大学徐国华课题组在Current Biology 发表了题为“Nitrogen mediates flowering time and nitrogen use efficiency via floral regulators in rice”的长篇研究论文。该研究发现，氮素对水稻抽穗开花的影响十分复杂，是谷氨酰胺（Gln）而不是无机铵（NH4+）直接诱导水稻的开花，氮素过少和过多均会抑制开花。通过对水稻花器官形成部位的转录组分析，结合遗传分析，该研究鉴定到一个受Gln影响并能调控开花时间的转录因子，将其命名为“首个氮素介导的抽穗开花因子”（N-mediated heading date-1，Nhd1）。

氮肥是农作物高产优质的重要保障，但是氮肥的大量生产和施用不仅增加能源消耗和生产成本，加剧土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放等资源生态环境问题，而且导致作物开花延迟和贪青晚熟，病虫害增加，降低产量和氮肥利用效率。开花时间早晚是衡量作物生育期的关键指标之一，是氮肥及多种环境因素共同作用的结果，对作物产量和品质形成起着至关重要的作用。因此，探究氮素（N）调控开花的网络通路对于明晰植物营养与环境互作，培育花期适宜、高产-稳产-氮肥高效品种均具有十分重要的理论和应用价值。然而，至今为止，对氮素调控植物开花的分子遗传机制所知甚少。

该研究发现，Nhd1通过正向调控，直接激活开花基因Hd3a，从而调控水稻的开花时间。无论是缺失Nhd1还是Hd3a，在不同日照条件下，水稻开花时间均往后推迟，失去开花对氮肥的响应，增加氮的累积吸收量。与此同时，Nhd1通过负向调控，抑制氮素同化基因Fd-GOGAT，降低其酶的活性和改變谷氨酰胺含量。因此，缺失Nhd1增强氮的同化效率，同时提高产量和氮素利用效率。此外，从水稻核心种质资源中，发现了分别为高氮促进开花、不影响开花的不同材料，Nhd1启动子区的自然变异与其受氮素介导的表达调控和花期关联。这些结果表明，在不同供氮和日照条件下，Nhd1具有平衡水稻生育期和氮素效率的功能。

该研究由徐国华教授课题组完成，张抒南博士生为该论文的第一作者，徐国华教授为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划及国家自然科学基金等资助。