Advanced Science | 南京農業大學徐國華團隊發現氮肥調控水稻抽穗期的雙基因“蹺蹺板”模塊

生育期的精準調控與氮素的高效利用是決定作物產量與資源利用效率的核心。在農業生產中，充分的氮素供應是作物高產優質的基礎，然而氮肥過量不僅增加生產成本與生態風險，而且會導致“貪青晚熟”，造成作物減產降質。水稻抽穗期（決定了生育期）對氮肥的響應呈現U-型模式，即與中等供氮水平相比，過低（缺乏）或過高（過量）氮素均會延遲抽穗，但這一現象背后的分子遺傳機制尚不明確。

近日，南京農業大學徐國華團隊在國際權威期刊Advanced Science發表了題為U-Shaped Response of Flowering Time to Low and High Nitrogen via a Transcription Feedback Loop in Rice的研究論文，揭示了一個由氮調控開花促進因子Nhd1與開花抑制因子Ghd7構成的轉錄負反饋調控環，作為精密的分子開關適應不同供氮狀況，調控水稻抽穗期對氮肥響應的U-型模式。

研究表明，在氮素缺乏條件下，被誘導表達的Ghd7通過抑制Nhd1的轉錄，從而推遲抽穗；在氮素過量條件下，其同化產物谷氨酰胺誘導Nhd1，反過來激活Ghd7的轉錄，同樣導致抽穗延遲。遺傳與分子證據進一步證實，抽穗因子（Florigen）Hd3a是該調控模塊下游的主要靶基因（圖1）。

圖1. Nhd1-Ghd7轉錄負反饋調控環介導水稻抽穗期對氮肥的U-型響應。

此外， Nhd1與Ghd7的拮抗作用在水稻馴化過程中受到了定向選擇，兩者的等位變異組合與土壤氮沉降的地理分布密切相關。該團隊之前的研究已經發現Nhd1是一個綜合調控氮素吸收、分配、同化及碳氮平衡的多效基因（Zhang et al., 2021, Current Biology; Li et al., 2022, Plant Physiology; Journal of Experimental Botany; Zhang et al., 2023, Plant Biotechnology Journal）。在本研究中，發現利用Ghd7與Nhd1等位變異組合與基因編輯技術，能夠在穩定生育期的同時，顯著提高水稻產量及氮素利用效率（圖2）。

圖2. 選擇性聚合Ghd7、Nhd1等位變異具有改良生育期、產量及氮素利用效率的潛力。

綜上，該研究不僅闡明了水稻抽穗期響應氮素U-型模式的調控機制，為解析水稻生育期與氮素利用的協同調控提供了全新視角，而且為培育氮素適應性水稻品種提供了關鍵基因靶點，助力氮肥精準施用與水稻生育期優化育種。

南京農業大學資環學院副教授張抒南為論文的第一作者和通訊作者，徐國華教授為論文的共同通訊作者。研究得到了“十四五”國家重點研發計劃專項、國家自然科學基金、江蘇省種業揭榜掛帥項目的資助。

全文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202508498