施用氮肥是水稻增产的重要手段，但过量施氮会造成环境污染、生产成本上升，因此提升水稻氮利用效率是实现绿色可持续农业的关键。水稻主要吸收铵态氮，但土壤硝化细菌可将部分铵态氮转化为硝态氮，所以硝态氮的吸收同化对水稻氮利用效率至关重要。硝酸还原酶是硝酸盐同化通路的第一限速酶，然而其参与的遗传调控网络此前并不清晰。
近日，JIPB在线发表了中国农科院中国水稻研究所高振宇/钱前课题组与深圳农业基因组研究所和国际水稻研究所叶国友课题组合作完成的题为Two linked nitrate reductase genesCR8.1andCR8.2positively coregulate yield and NUE in rice的研究论文。该研究克隆了调控水稻氮利用效率与产量的数量性状位点qCR8，该QTL包含两个NADH型硝酸还原酶基因CR8.1与CR8.2，二者可协同调控水稻硝态氮还原、籽粒产量和氮利用效率。
为挖掘调控水稻硝态氮代谢与氮利用效率的QTL，该研究利用9311和日本晴（NPB）作为亲本的重组自交系群体，以氯酸盐抗性作为检测指标定位到水稻第8染色体的主效QTL qCR8。利用染色体片段代换系及BC4F2分离群体开展精细定位，将候选区间锁定至37 kb区间，该区间包含两个NADH型硝酸还原酶基因CR8.1和CR8.2。序列比对发现，CR8.1和CR8.2在9311与NPB之间存在引起氨基酸改变的单核苷酸多态，同时CR8.1的启动子存在序列变异。体外酶活实验显示CR8.1和CR8.2的9311型等位基因编码蛋白活性显著高于NPB。敲除与过表达实验证实CR8.1和CR8.2均正向调控硝酸还原酶活性和硝态氮吸收转运，两者存在加性效应且CR8.2的功能强于CR8.1；双敲除株系的产量、氮积累和氮利用效率下降最显著，而过表达9311型等位基因可显著提升有效穗数、单株产量和氮利用效率。蛋白互作实验证明CR8.1与CR8.2可形成同源二聚体和异源二聚体，共同催化还原硝态氮。基于323份水稻泛基因组材料的群体进化分析表明，CR8位点在水稻驯化过程中受到选择，两个基因均存在籼粳分化，其中CR8.2受到的选择压更强。
图1 qCR8的克隆及CR8.1和CR8.2协同调控水稻产量与氮利用效率
综上，两个连锁的硝酸还原酶基因CR8.1和CR8.2通过编码蛋白形成同源/异源二聚体协同调控水稻硝态氮同化；9311来源的两者的优良等位基因具有更高酶活，可增强水稻硝态氮的吸收利用，最终提高产量和氮利用效率（图1）。该研究揭示了NADH型硝酸还原酶基因调控水稻产量与氮利用的分子机制，丰富了水稻硝态氮同化途径的机理解析（图2），为培育高产氮高效水稻新品种提供了宝贵基因资源，有望减少氮肥投入、降低环境污染，助力绿色可持续水稻生产。
图2 CR8.1和CR8.2协同调控水稻产量与氮利用效率的模式图
中国水稻研究所候琳琳博士、陈冬东博士、陈光博士为论文并列第一作者，高振宇研究员、叶国友研究员、钱前研究员为论文共同通讯作者。研究团队长期从事水稻氮吸收、转运、同化的遗传研究，克隆了一系列氮利用相关QTL，创制出丰富的遗传材料和氮高效种质。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、内蒙古自治区重大科技项目及中国农科院农业科技创新工程的资助。
论文链接：
http://doi.org/10.1111/jipb.70420
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