万建民院士团队揭示氮调控水稻有效分蘖形成的遗传和分子机制

上世纪60年代以来，氮肥的大幅投入促进了粮食单产的提升。然而，过量的氮肥施用导致土壤和水源中氮肥大量残留，引发严重的环境污染。挖掘作物氮高效关键基因，培育绿色氮高效作物新品种降低氮肥需求，可以从源头上减轻耕作对环境造成的不良影响，促进农业的可持续发展。

单位面积有效分蘖数是决定水稻单产的关键因素之一。过量施用氮肥导致无效分蘖过量生长，抑制水稻有效分蘖的形成，从而降低水稻产量和氮素利用效率。解析过量氮肥导致无效分蘖产生的遗传机制，是氮高效水稻新品种培育中的关键。

6月13日，南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室、江苏省生物育种钟山实验室万建民院士团队在Nature Genetics上发表了题为The elite haplotype OsGATA8-H coordinates nitrogen uptake and productive tiller formation in rice的研究论文。研究团队历经10年的深入研究，观测了水稻遗传群体和育种群体的全生育期的分蘖和氮利用效率的表型，克隆了水稻氮高效核心转录因子OsGATA8，阐明了农业生产中过量氮肥施用导致水稻无效分蘖形成的遗传和分子机制。与此同时，发掘了OsGATA8的优异单倍型OsGATA8-H，并结合基因编辑和回交育种技术创制了优异氮高效育种材料。

该研究首次在分子遗传学层面阐明了过量氮肥导致水稻无效分蘖形成的机理，从水稻自然群体中发掘了氮高效优异单倍型OsGATA8-H。在低氮条件下，OsGATA8-H通过促进OsAMT3.2表达促进水稻铵吸收，提高水稻产量和氮素利用效率；在高氮条件下，OsGATA8-H促进OsAMT3.2表达促进水稻铵吸收的同时，提高OsTCP19的表达，促进更多分蘖发育成有效分蘖，减少了无效分蘖，从而提高水稻产量和氮素利用效率。通过基因组编辑和基因聚合技术，将优异单倍型基因OsGATA8-H导入现代栽培品种中，可促进有效分蘖的形成，提高水稻产量和氮素利用效率。因此，该研究围绕以OsGATA8-H为核心的分子调控模块，阐明了氮调控有效分蘖形成的科学问题，为水稻氮高效育种提供了新策略。

德国莱布尼茨植物遗传和作物研究所所长Nicolaus von Wiren博士对该研究评价到：“研究人员鉴定了氮高效关键转录因子GATA8并探索了等位基因多样性，是一项系统深入的原创性成果。在现代水稻品种中发现了优异单倍型GATA8-H，将对水稻氮高效遗传育种研究产生深远的影响。”

南京农业大学万建民院士和王春明教授为共同通讯作者，博士生巫威和董小鸥教授为共同第一作者。