水稻氮素利用效率调控基因NDS1的图位克隆和功能研究

Nitrogen is one of the most in-demand mineral elements that is vital to rice growth and development, and the nitrogen use efficiency decreased will not only affect crop growth and development, also lead to serious environmental pollution. Therefore it is very important and highly necessary for our agricultural and social development to understanding the molecular mechanisms for regulation of nitrogen use efficiency. In the process of studying the nitrogen use efficiency of rice, we screened a nds1 (nitrogen deficiency sensitive) mutant which was treated with a chemical mutagenesis agent EMS. It was shown that the mutant increased the inhibition of nitrogen deficiency and the tolerance to chlorate. Map-based cloning showed that the phenotype of the mutant was controlled by a single recessive gene on chromosome 3. Further studies showed that the gene may be a new gene which affected several nitrate transporters. In this project, we plan to clone the major gene, reveal its biological function and discover its working mechanism, with a combination of various technologies, such as genetics, biochemistry and molecular biology, expecting to make a contribution to elucidate the molecular mechanisms for regulation of nitrogen use efficiency, and may provide a theoretical basis for breeding rice with high nitrogen use efficiency.

氮素作为植物生长发育所必须的大量元素，其利用效率不仅关系到作物的生长发育，也会影响一系列的环境问题。因此，理解作物氮素利用效率的分子遗传机制对于我国农业及社会发展具有重要意义。我们在研究水稻的氮素利用效率的过程中，筛选到一个EMS诱变的水稻nds1（nitrogen deficiency sensitive）突变体，其苗期表现出缺氮敏感、氯酸盐耐受的表型。通过图位克隆，我们发现它是一个位于第三染色体上的一个隐性基因控制的。进一步研究发现该基因可能是一个影响多个硝酸盐运输蛋白转录的新基因。本项目拟通过进一步的遗传学、生物化学及分子生物学等方面的研究，对控制该表型的关键基因进行精细定位和克隆，并对该基因进行功能研究，揭示水稻氮素利用效率的分子机制和调控网络，以期为理解水稻氮利用效率的分子遗传机制作出贡献，并为培育氮素高效利用的水稻品种奠定理论基础。

氮素利用效率(NUE)和抗旱性是越来越多地被育种学家关注的两个主要性状，因为这两个性状不仅影响作物产量，而且与环境保护和农业可持续发展密切相关。NUE是植物生物学和农学研究的一个热点问题。先前的研究表明，氮同化在应对干旱等环境压力时受到抑制，这是一种适应性代谢重编程。这种代谢重编程有助于提高植物的抗旱性，但对正常条件下高氮肥利用率的工程作物提出了挑战，而揭示这一过程形成的分子机制对解决耐旱性与NUE的冲突具有重要意义。本课题筛选到一个EMS诱变的水稻nds1（nitrogen deficiency sensitive）突变体，其苗期表现出缺氮敏感、氯酸盐耐受的表型。进一步研究发现该表型由位于3号染色体上的一个锌指转录因子DST（Drought and salt tolerance）控制。本课题首次鉴定到DST通过调控硝酸还原酶编码基因OsNR1.2的表达来控制水稻硝酸盐同化，同时，DST在干旱胁迫过程中发挥负向调控作用，证明DST-OsNR1.2调控模块参与了干旱胁迫下硝酸盐同化的抑制，揭示了干旱胁迫下氮代谢重编程的调控机制。DST-OsNR1.2模块在氮素同化过程中的作用表明，氮素代谢与气孔运动之间存在耦合机制，这可能反映了胁迫条件下碳氮平衡的机制。本研究不仅鉴定了两个参与水稻氮素利用的新基因，而且揭示了干旱胁迫下氮素同化重编程的调控模块。这些发现对理解水稻氮素利用如何被调控以及氮代谢的重编程如何促进环境适应具有重要意义。更重要的是，新的理论框架为解决高氮肥利用率耐旱水稻品种选育困境提供了新的视角，并对合理施用氮肥提高作物抗旱性提出了关注。