近日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋院士團隊系統(tǒng)解析了低磷激活獨腳金內(nèi)酯途徑進而調(diào)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(yǎng)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，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

 

　　磷是作物生長發(fā)育必需的大量元素之一。作物的高產(chǎn)依賴于磷肥等化肥的大量投入，在提高作物產(chǎn)量的同時降低了磷素的利用效率。磷礦是不可再生資源。過量的磷肥生產(chǎn)和施用導致農(nóng)業(yè)資源浪費和環(huán)境污染等問題，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在低磷脅迫下，植物進化出一系列響應機制來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，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

 

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

 

　　研究發(fā)現(xiàn)，低磷環(huán)境中水稻磷信號核心調(diào)控因子OsPHR2直接激活NSP1、NSP2以及獨腳金內(nèi)酯合成基因的表達，同時，NSP1和NSP2進一步形成異源二聚體，結(jié)合并激活獨腳金內(nèi)酯合成基因的表達，導致水稻根系中獨腳金內(nèi)酯含量顯著增加，增幅達數(shù)百倍。獨腳金內(nèi)酯進一步激活其信號轉(zhuǎn)導途徑，通過促進分蘗負調(diào)控因子OsTB1的表達抑制分蘗芽伸長進而降低分蘗數(shù)目。為解析獨腳金內(nèi)酯調(diào)控根系發(fā)育以及養(yǎng)分吸收利用的機制，該研究利用能夠特異激活獨腳金內(nèi)酯信號途徑的人工合成類似物GR244DO和GR245DS，鑒定了水稻根系中獨腳金內(nèi)酯的早期響應基因，結(jié)合低磷下轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與遺傳分析，發(fā)現(xiàn)了CRL1是新的獨腳金內(nèi)酯早期響應基因，以及低磷通過激活NSP1/2-獨腳金內(nèi)酯信號通路抑制CRL1的表達進而降低水稻側(cè)根密度。獨腳金內(nèi)酯通過調(diào)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(zhuǎn)運，通過激活磷轉(zhuǎn)運蛋白編碼基因OsPTs的表達促進磷素吸收，這是調(diào)控氮磷營養(yǎng)平衡的新機制。

 

　　基于NSP-獨腳金內(nèi)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)境中的株型進而提高產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，利用組成型啟動子過表達NSP1和NSP2能夠提高低磷環(huán)境中水稻的磷含量，但分蘗數(shù)目和穗長顯著降低，以及生物量和單株產(chǎn)量均降低。研究進一步顯示，利用自身啟動子過表達NSP1和NSP2，能夠適當提高水稻根部獨腳金內(nèi)酯合成，增加低磷環(huán)境中氮素的吸收，進而抑制獨腳金內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導，促進分蘗發(fā)育。在低磷和中磷土壤中，NSP1p:NSP1和NSP2p:NSP2植株的分蘗數(shù)目、主穗長度和生物量與對照相比均有一定程度增加，以及單株產(chǎn)量顯著增加。

 

　　該研究解析了低磷信號誘導獨腳金內(nèi)酯合成的生化機制，揭示了獨腳金內(nèi)酯信號途徑調(diào)控水稻分蘗數(shù)目和側(cè)根密度等株型特征以及氮磷吸收進而適應低磷環(huán)境的新機制，為改良低磷條件下水稻株型和養(yǎng)分利用效率進而提高產(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(shè)計育種奠定了基礎(chǔ)。

 

　　10月3日，相關(guān)研究成果以Low 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院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新促進會的支持。南京農(nóng)業(yè)大學、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心、山東農(nóng)業(yè)大學、華中農(nóng)業(yè)大學、華南農(nóng)業(yè)大學和中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所的科研人員參與研究。