氮素是促進植物生長的重要營養(yǎng)元素，對保障農(nóng)作物高產(chǎn)極為關(guān)鍵。而植物生長的直觀體現(xiàn)為生物量的積累。植物吸收氮素后通過氮同化等一系列代謝過程，生成核酸、蛋白等大量功能元件以滿足光合作用及生長所需。光合作用固定CO2生成碳水化合物，其中70%以上轉(zhuǎn)化為纖維素等結(jié)構(gòu)多糖用于植物體自身的生長發(fā)育，進而促進氮素吸收與利用等生理過程。植物碳-氮代謝如何協(xié)同長期備受關(guān)注，但纖維素合成與氮代謝直接的分子聯(lián)xi仍鮮有報道。另一方面，氮肥過度施用常引發(fā)環(huán)境污染，威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。提高農(nóng)作物氮利用效率是解決這一難題的重要方向。從纖維生物質(zhì)調(diào)控促進氮高效入手，可為當前農(nóng)業(yè)‘減施增效’改良提供新的視角。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、植物基因組學(xué)國家重點實驗室周奕華研究組與中國水稻所錢前院士團隊及揚州大學(xué)劉巧泉教授團隊合作，利用正向遺傳學(xué)手段發(fā)現(xiàn)水稻中控制纖維素水平的QTL---qCel1與氮利用效率的QTL---qNLA1共定位，基因克隆將其確定為同一個基因、即轉(zhuǎn)錄因子MYB61。

遺傳學(xué)及分子生物學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，MYB61基因的啟動子區(qū)在日本晴中存在一個helitron轉(zhuǎn)座子插入，是導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄水平低于不含此插入的秈稻9311等位的主要原因；此自然變異造成了粳稻日本晴和秈稻9311在纖維素合成水平及氮利用效率上的差異。深入研究發(fā)現(xiàn)，MYB61的轉(zhuǎn)錄可被低氮誘導(dǎo)，并受氮代謝關(guān)鍵控制因子GRF4的調(diào)控。GRF4可以直接結(jié)合在MYB61基因的啟動子區(qū)，增強MYB61的表達；而helitron轉(zhuǎn)座子插入下調(diào)其表達。GRF4功能獲得型及功能缺失型突變體表現(xiàn)出纖維素合成水平改變的表型，表明GRF4-MYB61調(diào)控模塊整合了控制纖維素合成水平和氮利用效率的作用通路。

而且，MYB61存在秈粳分化，啟動子區(qū)的helitron轉(zhuǎn)座子插入僅在粳稻中被檢測到。田間測試證實，秈稻形式的MYB61可提高纖維素合成水平及氮利用效率，將9311形式的MYB61導(dǎo)入多個粳稻品種均表現(xiàn)出增產(chǎn)效應(yīng)，且在低氮情況下增產(chǎn)效果尤為明顯。因此，該項研究揭示了碳-氮代謝的直接分子聯(lián)xi、鑒定了整合碳-氮代謝的關(guān)鍵節(jié)點，為提高水稻等農(nóng)作物的氮利用效率及實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)‘減施增效’提供了分子工具和新途徑。

該研究于2020年10月15日在Nature Communications雜志上在線發(fā)表(DOI:10.1038/s41467-020-19019-x)。周奕華研究組的博士生高易宏、揚州大學(xué)博士后許作鵬博士和周奕華研究組助研張?zhí)m軍博士為該論文的共同第1作者，周奕華研究員和張保才青年研究員為通訊作者。該研究得到中科院A類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會的資助。