中国科学院植物所种康研究团队发现水稻"耐寒氮高效"智能分子模块

　　中国日报6月18日电(记者李梦涵)全球气候变化引发区域性气候异常导致作物减产甚至绝收，而农业生产中过量施用氮肥造成的面源污染也不断加剧。如何同时提高作物抗逆性和氮肥利用效率，已成为世界农业面临的两大挑战。水稻作为典型的喜温作物，寒害常导致作物严重减产甚至绝收。农业生产实践中常通过增施氮肥促进寒害后分蘖再生，以减轻产量损失。但是水稻寒害恢复能力是否具有独立的遗传调控机制、植物如何协调耐寒性与氮素利用效率，尚缺乏系统认识，这也是植物逆境生物学的重要科学问题。

　　中国科学院植物研究所种康研究团队以粳稻品种空育131(KY131)和籼稻品种浙辐802(ZF802)构建的重组自交系群体为材料，将寒害后分蘖再生率创新性地作为评价寒害韧性的关键指标，定位到控制寒害韧性的主效位点qCR2(quantitative Chilling Resilience2)，通过图位克隆鉴定出主效基因，并命名为CHPO(chilling phoenix)。该模块具有寒害激活高效氮吸收与分蘖的切换开关能力，从种质的遗传底层逻辑改良来解决了上述问题。

　　研究发现，粳稻等位基因CHPOjap与籼稻等位基因CHPOind的编码区存在差异，这导致两种蛋白对于低温的响应方式和DNA识别偏好性的差异，过表达CHPOjap能够显著提高水稻耐寒性和寒害后分蘖再生能力，而过表达CHPOind则产生相反效果。群体遗传学分析表明，CHPOjap在水稻驯化过程中受到自然选择。进一步的机制研究表明，CHPOjap能够根据寒害发生与恢复过程动态切换调控程序：在寒害阶段激活耐寒相关基因表达，提高植株耐寒能力；在常温恢复阶段，直接激活氮吸收基因OsNRT2.4和抑制分蘖负调控基因OsTCP19，增强寒害后的恢复生长能力，减少对额外氮肥投入的依赖。

　　为解决分子模块应用潜力，研究团队创建了寒害韧性表型体系。田间试验表明，在不同氮肥恢复条件下，过表达CHPOjap的植株均表现出高于野生型的单株产量和氮利用效率，而chpo突变体则表现相反，说明CHPOjap在提高寒害后稳产能力和氮肥利用效率方面具有显著育种潜力。这一智能模块发现与新机制的阐释不仅具有重要的理论意义，而且具有潜在的应用前景。为培育耐寒、稳产、氮高效利用的水稻新品种提供了重要的分子模块和育种策略。

　　该研究成果于北京时间6月17日晚上11点在线发表于国际学术期刊Nature，植物所和中国科学院大学联合培养的已毕业博士研究生曹杰为第一作者，中国科学院院士、植物所研究员种康，副研究员罗伟和中国科学院大学教授王红为该论文共同通讯作者。崖州湾国家实验室钱前院士和植物所葛颂研究员提供了关键指导。该研究得到了国家自然科学基金和"科技创新2030"生物育种重大项目的资助。