籼粳稻间硝态氮吸收利用差异的分子机制研究

Japonica and Indica are two major subpopulation of Asian cultivated rice and the Indica variety usually shows higher nitrogen use efficiency (NUE). Isolation of the related gene loci will hold great promise to improve the NUE in rice breeding; however, due to the difficulty in phenotyping, it is still a challenging task. By re-sequencing 176 rice cultivars and performing chlorate (the toxic analog of nitrate) sensitivity investigation, we carried out genome-wide association study (GWAS) and several potential high NUE loci were identified, one of which, named CHR1, was preliminarily studied. CHR1 diverges between Indica and Japonica and the chlorate sensitivity also highly associated with allelic variation of CHR1. CHR1 is nitrate inducible and displays nitrate transport activity. Moreover, CHR1-Indica type exhibited higher nitrate transport activity than CHR1-Japonica type, suggesting the mutation of CHR1 is probably responsible for nitrate usage differentiation between Japonica and Indica. Based on these results, this project attempts to study the detailed function of CHR1 in nitrate uptake/transport and the molecular basis for the inceeased nitrate transport activity of CHR1-Indica, illustrate the molecular mechanism of nitrate use efficiency differentiation between Japonica and Indica, and investigate the possible application of CHR1 in NUE improvemt of rice.

籼稻与粳稻是现代栽培稻的两个主要亚群。相比粳稻，籼稻通常表现出更高的氮肥利用效率，分离鉴定控制品种间氮利用差异的基因位点对提高粳稻氮肥利用效率具有重要意义。我们基于176份水稻品种基因组重测序数据及氯酸盐（硝酸盐毒性类似物）敏感性测定，通过基因组关联分析（GWAS）鉴定到多个可能的氮高效吸收利用候选位点, 并对其中一个重要位点，CHR1，进行了初步研究。CHR1在籼粳亚群间呈现规律性分化，且与氯酸盐敏感性呈极高的关联性。研究表明，CHR1受硝酸盐诱导并表现出硝酸盐转运蛋白活性，且籼稻型活性高于粳稻型，暗示CHR1基因的变异可能是导致籼粳稻间硝态氮利用差异的重要原因之一。本项申请拟在此基础上，进一步深入研究CHR1在硝态氮利用中的功能及导致籼稻型CHR1活性升高的原因，揭示籼粳稻间硝态氮利用效率差异的分子机制，并探索CHR1对于提高水稻氮肥利用效率的应用价值。

氮是植物需求量最大的矿质营养元素，是促进作物增产的最关键因素之一。自上世纪80年代以来，我国氮肥使用量急剧增加，但增产效果却在逐年下降。过量的氮肥使用不仅极大增加了农业生产成本，大量的氮残留还会对环境造成污染。而且，氮肥的生产还会消耗大量能源并产生大量碳排放，进一步加重了环境的负担。此外，不断增长的人口数量对粮食产量提出更高的要求，因而对氮肥的需求量也在不断增加。因此，氮肥过量使用对农业的可持续发展以及资源、环境等多个方面都提出严峻的挑战。因此，提高作物氮肥利用效率，在减少氮肥使用的同时保持粮食稳产增产将会是解决这一系列问题的关键措施。..籼稻（indica）与粳稻（japonica）是亚洲栽培稻的两个主要亚群。相比粳稻，籼稻通常表现出更高的氮肥利用效率，鉴定控制品种间氮利用差异的基因位点对提高粳稻氮肥利用效率具有重要意义。我们基于176份水稻品种基因组重测序数据及氯酸盐（硝酸盐毒性类似物）敏感性测定，通过基因组关联分析鉴定到多个可能的氮高效吸收利用候选位点,并对其中一个重要位点-CHR1，进行了系统研究。CHR1编码一个PTR类硝酸盐转运蛋白，在籼粳亚群间呈现分化，且与氯酸盐敏感性呈极高的关联性。CHR1的基因表达受硝酸盐诱导，并表现出硝酸盐转运活性，且籼稻型活性高于粳稻型。组织表达分析表明CHR1在根部的表皮组织及微管组织中高表达，在叶片、叶鞘及茎秆中也主要在微管组织中表达。chr1突变体表现出明显的生长缺陷，硝酸盐的吸收与转运能力也被显著抑制，表明CHR1参与了水稻中硝酸盐的吸收与转运的过程。进一步研究发现，含有CHR1-indica的转基因株系及近等基因系均表现出更高的硝酸盐吸收能力及生长优势。大田测试表明，含有CHR1-indica的近等基因系表现出更高的产量及氮利用效率。在高产主栽粳稻品种秀水134中，CHR1-indica位点的导入可提高约20%的产量，表明CHR1-indica对粳稻改良具有重要应用价值。此项研究不仅进一步揭示了水稻亚种间氮利用能力分化的分子基础，并为水稻氮利用效率的遗传改良提供了一个重要基因位点。