2021年9月14日，國際著名學術期刊Molecular Plant發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究組題為“Decreasing Nitrogen Assimilation under Drought Stress by Suppressing DST-Mediated Activation of Nitrate Reductase 1.2 in Rice”的研究論文。該研究發現耐旱負調控轉錄因數DST（Drought and salt tolerance）可以直接啟動硝酸還原酶編碼基因OsNR1.2的表達來調控水稻硝酸鹽同化，揭示了水稻乾旱脅迫響應與氮同化協同調控的分子模塊，促進了對於植物乾旱脅迫下氮代謝重程式設計調控機制的理解。
氮素利用效率（NUE）和抗旱性是越來越多地被育種學家關注的兩個主要性狀，因為這兩個性狀不僅影響作物產量，而且與環境保護和農業可持續發展密切相關。NUE是植物生物學和農學研究的一個熱點問題。一系列的轉運體、酶和訊號因數已經被確定，但它們的轉錄調控機制仍然很大程度上未知。先前的研究表明，氮同化在應對乾旱等環境壓力時受到抑制，這是一種適應性代謝重程式設計。這種代謝重程式設計有助於提高植物的抗旱性，但對正常條件下高氮肥利用率的工程作物提出了挑戰，而揭示這一過程形成的分子機制對解决耐旱性與NUE的衝突具有重要意義。
該研究發現水稻耐鹽旱突變體dst在實驗室苗期以及大田生產中都表現出低氮敏感以及氮利用效率下降的錶型，表明DST是水稻氮素吸收或利用所必需的。深入研究顯示，dst及其多個等位突變體dst-crispr表現出低硝態氮敏感錶型，同時對硝酸鹽類似物氯酸鹽（chlorate）表現出耐受錶型，但在其它形態的氮為專一氮源的情况下與野生型相比沒有明顯區別，說明DST參與調控水稻對硝態氮的吸收或同化。硝酸根還原酶活性以及硝酸根含量的測定顯示，dst突變體中的硝酸根還原酶活性降低，但硝酸根含量反而略微新增，表明DST是通過促進硝酸根的同化而不是硝酸根的吸收轉運正向調控水稻氮素利用效率的。
通過對水稻中三個可能的硝酸根還原酶編碼基因OsNR1.1、OsNR1.2和OsNR2的表達量分析發現，dst突變體中僅有OsNR1.2在不同濃度硝酸根處理條件下的表達量均大幅度低於野生型，而進一步的OsNR1.2啟動子驅動的GUS報告基因進一步證實了這一點，表明DST可能通過調控OsNR1.2的表達調節硝酸根還原酶活性。結合酵母單雜交、凝膠遷移實驗、染色質免疫沉澱實驗及轉錄啟動實驗，該研究進一步證實了DST可以通過直接結合OsNR1.2啟動子啟動OsNR1.2的表達。該研究隨後的研究證實，OsNR1.2編碼了一個依賴於NADH的硝酸根還原酶，並且是水稻硝酸根同化以及氮素利用效率所必需的。
該研究對滲透脅迫下OsNR1.2在野生型中花11和dst中的表達量進行了檢測，發現乾旱脅迫下中花11中的OsNR1.2表達量顯著下調，而在dst中OsNR1.2的下調幾乎不明顯，顯示乾旱條件下硝酸根還原酶活性的下降是由DST介導的。有趣的是，在硝酸鹽充足時，功能缺失突變體osnr1.2比野生型ZH11更能耐受滲透脅迫，進一步證實了抑制氮同化有助於水稻在乾旱脅迫下存活。然而，當硝酸鹽缺乏時，突變體dst以及osnr1.2對滲透脅迫的耐受性與野生型中花11相比無顯著差別，這一證據支持了DST-OsNR1.2模塊介導了滲透脅迫下氮同化的抑制。這些證據同時也表明DST-OsNR1.2模塊介導的乾旱脅迫下氮同化重程式設計在抗旱性方面發揮著重要作用。
綜上，本研究不僅鑒定了兩個參與水稻氮素利用的新基因，而且揭示了乾旱脅迫下氮素同化重程式設計的調控模塊。這些發現對理解水稻氮素利用如何被調控以及氮代謝的重程式設計如何促進環境適應具有重要意義。更重要的是，新的理論框架為解决高氮肥利用率耐旱水稻品種選育困境提供了新的視角，並對合理施用氮肥提高作物抗旱性提出了關注。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究員為該論文的通訊作者，助理研究員韓美玲為第一作者，林鴻宣研究員參與了研究。該研究得到科技部國家重點研發計畫、中國科學院先導項目和國家自然科學基金的資助。
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https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.09.005
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