氮素是促進(jìn)植物生長的重要營養(yǎng)元素，對保障農(nóng)作物高產(chǎn)極為關(guān)鍵。而植物生長的直觀體現(xiàn)為生物量的積累。植物吸收氮素后通過氮同化等一系列代謝過程，生成核酸、蛋白等大量功能元件以滿足光合作用及生長所需。光合作用固定CO2生成碳水化合物，其中70%以上轉(zhuǎn)化為纖維素等結(jié)構(gòu)多糖用于植物體自身的生長發(fā)育，進(jìn)而促進(jìn)氮素吸收與利用等生理過程。植物碳-氮代謝如何協(xié)同長期備受關(guān)注，但纖維素合成與氮代謝直接的分子聯(lián)xi仍鮮有報道。另一方面，氮肥過度施用常引發(fā)環(huán)境污染，威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。提高農(nóng)作物氮利用效率是解決這一難題的重要方向。從纖維生物質(zhì)調(diào)控促進(jìn)氮高效入手，可為當(dāng)前農(nóng)業(yè)‘減施增效’改良提供新的視角。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、植物基因組學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周奕華研究組與中國水稻所錢前院士團(tuán)隊(duì)及揚(yáng)州大學(xué)劉巧泉教授團(tuán)隊(duì)合作，利用正向遺傳學(xué)手段發(fā)現(xiàn)水稻中控制纖維素水平的QTL---qCel1與氮利用效率的QTL---qNLA1共定位，基因克隆將其確定為同一個基因、即轉(zhuǎn)錄因子MYB61。

遺傳學(xué)及分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MYB61基因的啟動子區(qū)在日本晴中存在一個helitron轉(zhuǎn)座子插入，是導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄水平低于不含此插入的秈稻9311等位的主要原因；此自然變異造成了粳稻日本晴和秈稻9311在纖維素合成水平及氮利用效率上的差異。深入研究發(fā)現(xiàn)，MYB61的轉(zhuǎn)錄可被低氮誘導(dǎo)，并受氮代謝關(guān)鍵控制因子GRF4的調(diào)控。GRF4可以直接結(jié)合在MYB61基因的啟動子區(qū)，增強(qiáng)MYB61的表達(dá)；而helitron轉(zhuǎn)座子插入下調(diào)其表達(dá)。GRF4功能獲得型及功能缺失型突變體表現(xiàn)出纖維素合成水平改變的表型，表明GRF4-MYB61調(diào)控模塊整合了控制纖維素合成水平和氮利用效率的作用通路。

而且，MYB61存在秈粳分化，啟動子區(qū)的helitron轉(zhuǎn)座子插入僅在粳稻中被檢測到。田間測試證實(shí)，秈稻形式的MYB61可提高纖維素合成水平及氮利用效率，將9311形式的MYB61導(dǎo)入多個粳稻品種均表現(xiàn)出增產(chǎn)效應(yīng)，且在低氮情況下增產(chǎn)效果尤為明顯。因此，該項(xiàng)研究揭示了碳-氮代謝的直接分子聯(lián)xi、鑒定了整合碳-氮代謝的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為提高水稻等農(nóng)作物的氮利用效率及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)‘減施增效’提供了分子工具和新途徑。

該研究于2020年10月15日在Nature Communications雜志上在線發(fā)表(DOI:10.1038/s41467-020-19019-x)。周奕華研究組的博士生高易宏、揚(yáng)州大學(xué)博士后許作鵬博士和周奕華研究組助研張?zhí)m軍博士為該論文的共同第1作者，周奕華研究員和張保才青年研究員為通訊作者。該研究得到中科院A類先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會的資助。