氮是植物生长发育所必需的大量营养元素，更是作物产量和品质的限制因子。过去几十年，农业生产上大量施用氮肥有力地促进了我国农业的发展和粮食产量的提高，但是过量施用氮肥使农作物氮利用效率普遍降低。氮肥利用效率偏低、过剩氮肥残留在农田易造成地下水、湖泊、河流和浅水海域生态系统富营养化，以及温室气体排放、酸雨形成、饮用水硝态氮含量超标等问题，对我国生态环境、粮食安全和人体健康造成了潜在的威胁。因此，研究作物氮素吸收的分子调控机制，探索提高作物氮吸收利用效率的新途径，为培育氮高效作物品种提供理论基础和遗传资源，对我国农业持续稳定、绿色发展具有重要意义。
虽然普遍认为水稻是喜铵（NH4+）作物，但是过量的NH4+容易对植物产生毒害作用。在水稻生长过程中根系会出现泌氧现象，根际好氧微生物会将NH4+氧化为硝酸根（NO3-），因此，在农田生态系统中NO3-同样是水稻根系吸收的重要氮源。在水稻根际NO3-的浓度往往较低，通常在1-10μM范围之内，因此，高亲和NO3-转运子在NO3-吸收过程中行使的功能不容忽视。OsNRT2.1是一个水稻根特异表达的高亲和NO3-转运基因，受缺氮诱导高氮抑制，在低氮条件下对NO3-吸收行使主要功能。低NO3-条件下，OsNRT2.1的表达量直接影响水稻根系对NO3-的吸收能力，然而水稻OsNRT2.1的上游调控机制尚不清楚。
该研究以水稻OsNRT2.1基因上游启动子片段为“诱饵”筛选酵母单杂交文库，获得一个候选的上游调控因子OsSNAC1。荧光定量PCR和ProOsSNAC1:GUS转基因植株分析结果显示，OsSNAC1基因在水稻全生育期各组织部位均有表达，并受缺氮诱导表达。在NO3--N供应下，OsSNAC1与硝酸根转运基因OsNRT2.1/2.2和OsNRT1.1A/1.1B的表达模式高度相似；但在NH4+-N供应下，与铵离子转运基因OsAMTs的表达模式并不相同。酵母单杂交、烟草瞬时表达和ChIP-qPCR试验证明，OsSNAC1可与OsNRT2.1/2.2和OsNRT1.1A/1.1B基因的上游启动子发生相互作用。超量表达OsSNAC1显著提高了OsNRT2.1/2.2和OsNRT1.1A/1.1B的表达量，促进植株对NO3-的吸收，增加氮累积量，提高地上部氮利用效率，从而促进植株生长和产量形成。敲除OsSNAC1下调OsNRT2.1/2.2和OsNRT1.1A/1.1B的表达量，降低植株对NO3-的吸收，降低氮累积量及氮利用效率，从而抑制植株的生长和产量形成。总而言之，该研究表明转录因子OsSNAC1可通过正向调控OsNRTs基因的表达来促进水稻植株对NO3-的吸收，提高氮利用效率，促进植株生长和产量形成。
华中农业大学资源与环境学院毕业硕士研究生杞金芳和在读硕士研究生郁露为共同第一作者，蔡红梅副教授为通讯作者，博士研究生丁静丽和姬晨晨参与了该研究，徐芳森教授、石磊教授、王创教授、丁广大教授和汪社亮副教授对该研究的试验设计和数据分析提供了宝贵的建议。本研究得到了国家重点研发计划项目的资助。
2023年5月22日
来源：华中农业大学
