近日，Nature plants在线发表了南京农业大学李姗教授团队题为“Improving rice nitrogen-use efficiency by modulating a novel monouniquitination machinery for optimal root plasticity response to nitrogen”的研究论文。该团队在水稻中鉴定到一个调控水稻根系氮响应的关键基因RNR10，并阐明其分子机制，为改善水稻根系构型、提高氮肥利用效率供了新的基因资源。
氮肥是决定作物产量的关键因素之一，但过量施用氮肥不仅会提高生产成本，还会带来严重的环境污染问题，因此提高作物的氮肥利用率是实现农业绿色、高效生产的有效途径。作物氮肥利用效率很大程度上取决于其根系对外部氮元素的吸收能力，而外界氮源的可用性和分布反过来又会引发作物根系构型改变，优化作物在外界不同氮供应水平下的根系构型是提高作物氮肥利用效率的重要方向。
该课题组发现水稻籼、粳亚种根系对外界氮响应水平存在显著差异。与籼稻相比，在外界氮供应水平较低时，粳稻根系大小对于外界氮供应水平变化更加不敏感。为了明确导致籼、粳亚种根系对外界氮供应水平响应差异的调控因子，研究人员使用华粳籼74为背景的水稻单片段代换系材料鉴定到了一个调控水稻根系对外界氮响应的关键基因RNR10 (REGULATOR OF N-RESPONSIVE RSA ON CHROMOSOME 10)，该基因编码F-Box蛋白。进一步研究发现RNR10与该课题组前期克隆的生长素生物合成途径负调控因子DNR1 （DULL NITROGEN RESPONSE1）存在相互作用，并通过K53位单泛素化修饰DNR1抑制其降解，从而拮抗生长素的积累，最终降低水稻根系对外界氮响应能力及其对硝态氮的吸收能力。
在籼、粳稻亚种间，RNR10启动子上3496 bp的差异导致了RNR10表达量不同。在粳稻中，RNR10高水平积累导致DNR1蛋白丰度增加，进而导致其生长素含量下降，最终导致根系表现出对外界氮响应能力下降，氮肥利用效率降低。通过敲除RNR10，可以显著改良粳稻的根系构型及其硝态氮吸收能力。田间试验表明，敲除粳稻中的RNR10，降低RNR10丰度，可以适度提高植株高度、减少分蘖和提高产量，并且在低施氮水平下的增产效应更加显著。这表明RNR10在提高粳稻氮肥利用效率上具有巨大的应用价值。
南京农业大学农学院博士生黄允智和牛津大学吉喆博士为并列第一作者，李姗教授为通讯作者，华南农业大学王少奎教授、牛津大学Nicholas Harberd教授和南京农业大学宋庆鑫教授参与了该研究的部分工作。本项研究得到了“十四五”国家重点研发计划、江苏省重点研发计划、国家自然科学基金委优秀青年基金、江苏省青年基金等项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01533-7