原標(biāo)題：中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)培育綠色高產(chǎn)水稻新品種關(guān)鍵基因

記者7日從中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(中科院遺傳發(fā)育所)獲悉，該所傅向東研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)8年協(xié)作與攻關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)并從現(xiàn)有水稻品種中獲得關(guān)鍵基因NGR5，有望培育出“少投入、多產(chǎn)出”的綠色高產(chǎn)水稻新品種，既為綠色高產(chǎn)高效農(nóng)作物分子設(shè)計(jì)育種奠定理論基礎(chǔ)，也提供出具有育種利用價(jià)值的基因資源。

　　中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)“關(guān)于赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)新機(jī)制調(diào)控水稻氮肥高效利用的最新研究進(jìn)展”這一重要研究成果論文，北京時(shí)間7日凌晨獲國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以研究長(zhǎng)文(Research Article)形式發(fā)表，并被《科學(xué)》雜志選為本期封面文章(Cover Story)進(jìn)行重點(diǎn)推薦。該項(xiàng)成果深化對(duì)赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)和植物氮素響應(yīng)之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制的理解，找到一條在保證糧食產(chǎn)量不斷提高的同時(shí)，提高水稻氮肥利用效率，降低化肥投入，減少環(huán)境污染的育種新策略，有助于培育“少投入、多產(chǎn)出”作物新品種，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的糧食安全。

中科院遺傳發(fā)育所介紹，水稻是中國(guó)最重要的糧食作物之一，對(duì)保障國(guó)家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定起到非常重要的作用。氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥品種，它對(duì)提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有重要作用。不過(guò)，如何從育種源頭上提高農(nóng)作物自身的氮肥利用效率，既保留以矮化育種為特征的“綠色革命”品種的高產(chǎn)特性，又能減少氮肥施用量，達(dá)到“少投入、多產(chǎn)出”目標(biāo)，已成為當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重大問(wèn)題。

　　傅向東研究團(tuán)隊(duì)利用化學(xué)誘變和遺傳篩選，從攜帶“綠色革命”基因的水稻品種9311中篩選到一個(gè)產(chǎn)量性狀對(duì)氮素響應(yīng)不敏感的突變體，通過(guò)圖位克隆方法獲得了氮肥高效利用的關(guān)鍵基因NGR5。研究表明NGR5是水稻生長(zhǎng)發(fā)育(包括株高、分蘗和每穗粒數(shù)等重要農(nóng)藝性狀)響應(yīng)氮素的正調(diào)控因子，同時(shí)NGR5的基因表達(dá)水平和蛋白積累量隨施肥量的增加而增加。在當(dāng)前主栽高產(chǎn)品種中，提高NGR5表達(dá)量不僅提高水稻氮肥利用效率，同時(shí)還可保持其優(yōu)良的半矮化和高產(chǎn)特性，最終導(dǎo)致水稻在適當(dāng)減少施氮肥條件下獲得更高的產(chǎn)量。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)新型的優(yōu)異等位基因NGR5(hap.2)，其表達(dá)量對(duì)氮素改變的響應(yīng)更加敏感，將這個(gè)優(yōu)異等位變異位點(diǎn)導(dǎo)入當(dāng)前高產(chǎn)品種后，有望培育出“少投入、多產(chǎn)出”的綠色高產(chǎn)水稻新品種。

　　進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，NGR5是赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的一個(gè)新的關(guān)鍵元件，它能與赤霉素受體GID1蛋白互作。NGR5還能與一種被稱作多梳抑制復(fù)合物2(PRC2)的蛋白復(fù)合物互作，通過(guò)介導(dǎo)H3K27me3甲基化修飾水平調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控水稻分蘗等農(nóng)藝性狀及其對(duì)氮素的響應(yīng)。赤霉素通過(guò)促進(jìn)NGR5蛋白降解，導(dǎo)致表觀遺傳修飾降低，進(jìn)而增強(qiáng)靶基因的轉(zhuǎn)錄激活活性，實(shí)現(xiàn)赤霉素促進(jìn)植物分枝生長(zhǎng)發(fā)育。這一赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，不僅豐富了科學(xué)家對(duì)于赤霉素作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且從分子水平揭示了“綠色革命”矮稈品種在高肥條件下增產(chǎn)的原因。

　　傅向東研究團(tuán)隊(duì)表示，這次研究還發(fā)現(xiàn)NGR5與DELLA蛋白互作的機(jī)制，DELLA蛋白能競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合赤霉素受體GID1蛋白，抑制赤霉素介導(dǎo)的NGR5蛋白降解，進(jìn)而增加NGR5蛋白穩(wěn)定性。DELLA蛋白積累導(dǎo)致第一次“綠色革命”，實(shí)現(xiàn)植株半矮化、耐高肥和抗倒伏的高產(chǎn)目標(biāo)，但也伴隨著氮肥利用效率的降低。相反，NGR5蛋白的高水平積累并不改變“綠色革命”的半矮化優(yōu)良性狀，但能增加水稻分蘗數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在減少氮肥投入的條件下進(jìn)一步提高現(xiàn)有主栽品種產(chǎn)量和氮肥利用效率。該研究成果為“少投入、多產(chǎn)出、保護(hù)環(huán)境”的綠色高產(chǎn)高效農(nóng)作物分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ)，并提供具有育種利用價(jià)值的基因資源。

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