農(nóng)學院丨丁艷鋒教授和李姍教授團隊揭示了秈稻和粳稻對大氣二氧化碳濃度升高響應差異的分子機制

近日，南京農(nóng)業(yè)大學丁艷鋒教授團隊和李姍教授團隊聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，秈稻和粳稻對大氣CO₂濃度升高響應差異與DNR1的亞種間變異有關。相對于攜帶粳稻DNR1的水稻品種，攜帶秈稻DNR1的水稻品種在大氣CO₂濃度升高下產(chǎn)量提升更顯著。相關研究成果以“Variation in a single allele drives divergent yield responses to elevated CO₂between rice subspecies”在線發(fā)表在《Nature Communications》上。

氣候變化日益加劇，大氣CO₂濃度持續(xù)升高，2024年大氣CO₂濃度已經(jīng)達到424 ppm。由于當前大氣CO₂濃度遠低于C3植物光合作用的CO₂濃度飽和點，大氣CO₂濃度升高一般提高水稻產(chǎn)量。近幾十年的田間開放式大氣CO₂濃度升高試驗（FACE）發(fā)現(xiàn)大氣CO₂濃度升高對秈稻的增產(chǎn)效應大于粳稻，然而這種差異的分子機制尚不清楚。

大氣CO₂濃度升高一般會刺激C3植物葉片光合作用，但這種刺激效應是受到氮有效性調(diào)控的。值得注意的是，粳稻的氮（尤其是硝態(tài)氮）吸收和同化能力普遍低于秈稻。通過多品種試驗發(fā)現(xiàn)大氣CO₂濃度升高與水稻品種對硝態(tài)氮吸收有互作效應，即大氣CO₂濃度升高對秈稻硝態(tài)氮吸收的增加量顯著高于粳稻的。大氣CO₂濃度升高也能促進銨態(tài)氮的吸收，但秈稻和粳稻的銨態(tài)氮吸收對大氣CO₂濃度升高的響應沒有明顯差異。因此，秈稻對大氣CO₂濃度升高的響應更高可能與秈稻硝態(tài)氮吸收能力更強有關。

為了驗證這一假設，在FACE平臺利用DNR1近等基因系和突變體開展田間試驗發(fā)現(xiàn)，攜帶秈稻DNR1（硝態(tài)氮吸收高）水稻在大氣CO₂濃度升高下產(chǎn)量增幅達到22.8–32.3%，但攜帶粳稻DNR1（硝態(tài)氮吸收低）水稻的產(chǎn)量僅增加3.6–11.1%。其機制是：在攜帶秈稻DNR1的植株中，大氣CO₂濃度升高大幅降低了DNR1的積累，合成了更多生長素，招募了更多的OsARF6和OsARF17，上調(diào)了參與硝態(tài)氮代謝相關基因的表達（OsNRT1.1B、OsNRT2.3a、OsNIA2和OsNPF2.4），增加了對硝態(tài)氮的吸收和同化，從而大幅增強了葉片光合基因（OsPsaB、OsRbcs和OsSBPase）的表達和光合速率。研究結(jié)果證實了秈稻對大氣CO₂濃度升高的響應更高與硝態(tài)氮吸收能力更強有關，秈稻DNR1基因可作為提高粳稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的關鍵育種資源，尤其是在大氣CO₂濃度持續(xù)升高的背景下。

南京農(nóng)業(yè)大學博士研究生劉云龍和鐘山青年研究員張思宇博士為論文共同第一作者，丁艷鋒教授、李姍教授和江瑜教授為通訊作者。英國Exeter大學Kees Jan van Groenigen教授，美國北卡羅來納州州立大學胡水金教授，中科院遺傳與發(fā)育生物學研究所傅向東研究員，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所張衛(wèi)建研究員，江西農(nóng)業(yè)大學黃山教授，南京農(nóng)業(yè)大學李剛?cè)A教授、劉正輝教授、王松寒教授和錢浩宇副教授等參與了本項研究。研究得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省碳達峰碳中和科技創(chuàng)新基金等項目的資助。