2月26日，南京农业大学李姗教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和英国牛津大学吉喆博士在Science发表题为OsWRI1a coordinates systemic growth responses to nitrogen availability in rice的研究论文，首次系统解析了水稻在低氮环境下实现根冠协同发育的分子机制，并鉴定出可同步提升氮肥利用效率与产量的OsWRI1a优异单倍型，为“减肥增效”型水稻育种提供了重要的理论创新与基因资源。
突破固有观念：从“此消彼长”到“根冠共赢”
长期以来，科学界普遍认为，当氮素供应不足时，植物会启动一种“舍上保下”的生存模式，通过促进根系生长来增强养分获取能力，但这往往是以牺牲茎叶生长和产量为代价的。如何解决这一矛盾，是实现农业绿色高效发展的核心难题。本研究从一个在氮供应波动下仍能保持稳定根冠比的突变体入手，鉴定到核心调控基因OsWRI1a。研究发现，在氮匮乏条件下，OsWRI1a能促进根系与地上部协同生长，如同为根系发育开启了“精准导航”，在确保光合产物优先供给籽粒的同时，优化根系空间构型，从而跳出传统“削茎补根”策略导致的减产陷阱。
根系中的“双重使命”
在根部，OsWRI1a发挥双重作用。一方面，它作为转录因子直接激活氮代谢相关基因的表达，从而提升氮吸收与利用。另一方面，它与李姗团队此前发现的F-box蛋白RNR10发生相互作用（Zhang et al., Plant Cell, 2021; Huang et al., Nature Plants, 2023）。OsWRI1a的三个关键位点K139、K156和K225被RNR10介导的多泛素化修饰降解。深入研究发现，OsWRI1a还能充当“调解员”，竞争性地抑制RNR10与生长素合成抑制因子DNR1的结合，从而干扰RNR10对DNR1的单泛素化修饰稳定作用，最终提高生长素水平，驱动根系响应氮信号进行形态重塑。更有趣的是，RNR10的泛素连接酶活性受到E2及SKP复合体构象变化的动态调控，能在“稳定DNR1”和“降解OsWRI1a”两种模式间灵活切换，确保根系发育与氮素吸收在时间和空间上的高效协同，展现了植物在低氮环境下运筹帷幄的系统性智慧。
组织特异的“战术分工”
OsWRI1a的功能并非“一刀切”，而是呈现出鲜明的时空特异性。在分蘖芽中，OsWRI1a与RNR10的互作显著减弱，形成了一种“自我保护”屏障，既避免了被RNR10降解，又能保留RNR10对DNR1的调控路径，以维持生长素稳态。与此同时，OsWRI1a通过激活氮响应因子NGR5的表达，为分蘖的发生按下“加速键”，从而推动地上部分的繁茂生长。而这一发现揭示了植物如何通过精细的蛋白互作网络，将氮信号与分蘖发育巧妙整合，为理解作物器官如何响应环境变化提供了崭新的视角。
优异等位因的育种实践
研究团队将OsWRI1a的优异等位变异OsWRI1aHap.I，导入粳稻品种“武运粳7号”。经过多年多点的田间试验，改良后的种质在低氮条件下依然能保持根冠平衡，氮肥利用效率和产量双双显著提升。这一结果强有力地证明，OsWRI1aHap.I在实现“减肥增效、绿色高产”的水稻育种中具有巨大的应用潜力，为培育资源节约型、环境友好型的水稻新品种提供了可直接应用的基因资源。
综上，该研究从理论层面颠覆了“低氮必抑冠层”的传统观点，构建了以“根-冠协同”与“碳分配稳态”为核心的植物环境适应新机制。这一成果不仅为协调作物氮肥减施与稳产目标提供了创新性的理论依据，还为作物氮高效育种提供了基因资源和中间材料，助力农业向绿色、高效方向转型。
南京农业大学博士研究生沈成波，牛津大学吉喆博士和南京农业大学钟山青年研究员焦武博士为论文共同第一作者。牛津大学吉喆博士、中科院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和南京农业大学李姗教授为论文通讯作者。南京林业大学谢彦杰教授、南京农业大学熊国胜教授、徐国华教授和华南农业大学王少奎教授参与了本研究。感谢中科院遗传与发育生物学研究所王冰研究员提供的UBC基因扩增模板。研究得到了国家重点研发计划、江苏省双创计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、江苏省优秀博士后人才资助计划等项目的资助。
专家点评
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。
专家点评 | 钱前（中国科学院院士）
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OsWRI1aHap.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OsWRI1aHap.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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