氮素是促进植物生长的重要营养元素，对保障农作物高产极为关键。而植物生长的直观体现为生物量的积累。植物吸收氮素后通过氮同化等一系列代谢过程，生成核酸、蛋白等大量功能元件以满足光合作用及生长所需。光合作用固定CO2生成碳水化合物，其中70%以上转化为纤维素等结构多糖用于植物体自身的生长发育，进而促进氮素吸收与利用等生理过程。植物碳-氮代谢如何协同长期备受关注，但纤维素合成与氮代谢直接的分子联系仍鲜有报道。另一方面，氮肥过度施用常引发环境污染，威胁农业可持续发展。提高农作物氮利用效率是解决这一难题的重要方向。从纤维生物质调控促进氮高效入手，可为当前农业‘减施增效’改良提供新的视角。
中国科学院遗传与发育生物学研究所、植物基因组学国家重点实验室周奕华研究组与中国水稻所钱前院士团队及扬州大学刘巧泉教授团队合作，利用正向遗传学手段发现水稻中控制纤维素水平的QTL---qCel1与氮利用效率的QTL---qNLA1共定位，基因克隆将其确定为同一个基因、即转录因子MYB61。遗传学及分子生物学实验发现，MYB61基因的启动子区在日本晴中存在一个helitron转座子插入，是导致其转录水平低于不含此插入的籼稻9311等位的主要原因；此自然变异造成了粳稻日本晴和籼稻9311在纤维素合成水平及氮利用效率上的差异。深入研究发现，MYB61的转录可被低氮诱导，并受氮代谢关键控制因子GRF4的调控。GRF4可以直接结合在MYB61基因的启动子区，增强MYB61的表达；而helitron转座子插入下调其表达。GRF4功能获得型及功能缺失型突变体表现出纤维素合成水平改变的表型，表明GRF4-MYB61调控模块整合了控制纤维素合成水平和氮利用效率的作用通路。而且，MYB61存在籼粳分化，启动子区的helitron转座子插入仅在粳稻中被检测到。田间测试证实，籼稻形式的MYB61可提高纤维素合成水平及氮利用效率，将9311形式的MYB61导入多个粳稻品种均表现出增产效应，且在低氮情况下增产效果尤为明显。因此，该项研究揭示了碳-氮代谢的直接分子联系、鉴定了整合碳-氮代谢的关键节点，为提高水稻等农作物的氮利用效率及实现农业生产‘减施增效’提供了分子工具和新途径。
该研究于2020年10月15日在Nature Communications杂志上在线发表(DOI:10.1038/s41467-020-19019-x)。周奕华研究组的博士生高易宏、扬州大学博士后许作鹏博士和周奕华研究组助研张兰军博士为该论文的共同第一作者，周奕华研究员和张保才青年研究员为通讯作者。该研究得到中科院A类先导专项、国家自然科学基金委、中科院青促会的资助。
图：GRF4-MYB61协同碳-氮代谢促进氮利用效率及作物增产. N, 正常氮; LN, 低氮.
