南京农大张亚丽组揭示低氮条件下独角金内酯和赤霉素信号共同调控植物氮素利用的机制

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者YaLi Zhang

20世纪60年代，半矮杆水稻和小麦品种的大面积推广，有效的解决了因大量施氮肥而引起的倒伏和减产问题，这一历史性的变革被称为绿色革命。目前人们已认识到“绿色革命”与赤霉素相关。其中一个“绿色革命”基因是赤霉素(GA)信号途径的负调控因子SLR1/DELLA蛋白。水稻生长调节因子GRF4与SLR1/DELLA蛋白互作，调控植物生长与碳-氮代谢之间的稳态。虽然半矮化品种具有耐高肥、抗倒伏和高产等优良特性，但也存在对氮肥依赖性强、氮肥利用率低等缺点。为了提高氮利用效率（NUE）和农业可持续性，需要深入理解不同氮供应条件下作物氮代谢和发育过程之间的相互作用。

植物在遇到氮供应不足时，会通过调控根系形态和地上部株型、提高根冠比来增加根系的吸收面积和减少地上部对养分的需求，同时诱导根系高亲和氮转运蛋白及代谢相关基因的表达来促进氮素的吸收同化及往地上部的转运，来积极应对环境的养分胁迫。独脚金内酯(SLs)作为新发现的植物激素，在植物遭遇氮养分供应不足时，根系合成的SLs显著增加。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.009

2023年1月21日，Molecular Plant 在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东课题组和南京农业大学张亚丽课题组合作发表题为Strigolactone and gibberellin signalling coordinately regulates metabolic adaptations to changes in nitrogen availability in rice 的研究论文，研究发现低氮条件下诱导合成的SLs积极参与调控植物根系发育及其对氮素的吸收同化，提高氮效率，帮助植物积极应对养分胁迫（图1）。

图1 独脚金内酯低氮条件下提高氮效率的机制

在水稻中，独脚金内酯信号传导的信号途径包括D3、D14和D53蛋白，受体D14结合SLs，形成D53-D14-SCFD3复合体，D53被降解，SLs信号途径的下游转录因子被释放从而调控下游基因的表达。

该研究解析了SLs信号途径抑制因子(D53)和赤霉素信号途径抑制因子(SLR1)共同调节水稻氮素吸收和同化的机制。在高氮供应下，D53和SLR1蛋白与水稻转录因子GRF4结合，从而抑制下游氮素响应基因的激活。在低氮条件下，诱导表达的SLs通过蛋白酶体系统降解D53和SLR1，激活GRF4-GIF1介导的水稻氮素基因的响应(图2)。我们的研究结果揭示了一种新颖的独脚金内酯和赤霉共同调控植物在低氮胁迫下氮素利用率的机制，让我们深入理解植物生长发育-氮素代谢对外界养分供应的响应，有助于我们培育更多养分高效的高产作物来实现我们农业的可持续发展。

图2 独脚金内酯和赤霉素信号途径共同调控水稻氮代谢适应的模型

中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员和南京农业大学张亚丽教授为该论文共同通讯作者，河南农业大学孙虎威副教授为该论文第一作者，南京农业大学徐国华教授和河南农业大学赵全志教授参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目和面上项目及国家重点研发计划的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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