转录因子OsMADS61通过调控硝酸盐代谢与根系发育协同提高水稻氮肥利用效率

《Plant Communications》：The transcription factor OsMADS61 positively regulates both root elongation and nitrogen use efficiency in rice

为解决水稻氮肥利用效率(NUE)低下的问题，南京农业大学张亚丽团队开展了OsMADS61调控氮素响应的分子机制研究。研究发现OsMADS61作为转录激活因子直接结合OsNRT2.1和OsNR2启动子，通过硝酸还原酶途径产生一氧化氮(NO)调控根尖分生区细胞增殖，从而协调根系形态建成与氮素吸收同化。该研究为培育高产高效水稻新品种提供了重要靶点。

　　

氮素是限制农作物产量的主要矿质营养元素，然而现代作物的氮肥利用效率普遍低下，高产严重依赖过量施肥，这不仅增加生产成本，更导致环境污染、气候波动和生物多样性下降等一系列生态问题。提高作物尤其是低氮条件下的氮肥利用效率，是应对这些挑战的有效策略。水稻作为全球主要粮食作物，其根系形态可塑性对氮素吸收至关重要，但调控根系形态适应性响应与氮素吸收协同作用的分子机制尚不清楚。

在这项发表于《Plant Communications》的研究中，南京农业大学张亚丽团队发现水稻在硝酸盐(NO₃^-)供应下比铵盐(NH₄⁺)更能促进根系伸长，尤其在低氮条件下更为显著。通过转录组分析，研究人员鉴定到一个MADS-box家族转录因子OsMADS61，它作为关键调控枢纽，通过协调硝酸盐吸收、同化与根系发育，显著提高水稻产量和氮肥利用效率。

研究人员采用多组学联用技术体系：通过RNA-seq筛选氮素响应转录因子；利用CRISPR-Cas9技术构建基因敲除突变体；采用染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)鉴定下游靶基因；通过酵母单杂交、电泳迁移率实验(EMSA)和双荧光素酶报告系统验证转录调控关系；结合非损伤微测技术(SIET)测定离子流；使用荧光探针DAF-FM检测一氧化氮动态；开展田间试验评估农艺性状。研究材料包括水稻品种Hwayoung及其遗传改良材料，关键样本队列来自水稻根部组织。

OsMADS61是低硝酸盐特异调控水稻根系伸长的关键因子

研究发现，水稻在硝酸盐供应下比铵盐更能促进根系伸长，且低氮条件下这种差异更为明显。转录组分析显示，OsMADS61是唯一在低硝酸盐条件下特异性上调的转录因子。亚细胞定位表明OsMADS61定位于细胞核，其在根中的表达量约为地上部的5倍，且受低硝酸盐特异性诱导。基因功能验证发现，osmads61突变体仅在低硝酸盐条件下表现出根系伸长缺陷，而过表达株系则根系更发达。

OsMADS61正向调控氮肥利用效率和谷物产量

田间试验表明，OsMADS61过表达株系在低氮(75 kg/ha)和高氮(250 kg/ha)条件下均增产，低氮条件下增产幅度达40%。增产主要源于分蘖数、千粒重和结实率的提高。氮积累分析显示过表达株系地上部总氮积累量更高，且氮在籽粒中的分配比例与野生型相似，说明OsMADS61通过同步调控根系发育和氮吸收能力来提高产量。

OsMADS61通过控制分生区大小调控根系发育

组织特异性表达分析发现OsMADS61在根尖分生区(0-1 mm)和成熟区(≥3 mm)高表达，而在伸长区(1-3 mm)表达较低。细胞学观察表明，osmads61突变体在低硝酸盐条件下分生区长度和细胞数量显著减少，而成熟区皮层细胞长度无显著变化，证明OsMADS61主要通过调控细胞分裂而非细胞伸长来影响根系发育。

OsMADS61通过结合OsNRT2.1启动子促进硝酸盐吸收

OsMADS61通过直接结合高亲和硝酸盐转运蛋白基因OsNRT2.1启动子中的CArG-box元件，激活其转录。生理实验证实，osmads61突变体在低硝酸盐条件下氮含量和¹⁵N积累量显著降低，过表达株系则相反。SIET技术检测到突变体根尖硝酸盐内流速率降低58%，而过表达株系增加63%。遗传回补实验证明OsNRT2.1过表达能部分恢复osmads61突变体的硝酸盐吸收缺陷。

OsMADS61通过激活OsNR2调控氮同化和根系伸长

OsMADS61直接结合硝酸还原酶基因OsNR2启动子特定CArG-box位点，激活其转录。在低硝酸盐条件下，osmads61突变体中OsNR2转录水平和NR活性显著降低，过表达株系则升高。通过构建nr2突变体，发现硝酸还原酶途径是OsMADS61调控根系伸长的必要条件。

一氧化氮积累参与OsMADS61介导的根系伸长

研究发现OsMADS61通过调控硝酸还原酶活性影响一氧化氮生成。在低硝酸盐条件下，osmads61突变体根尖一氧化氮荧光信号减弱，过表达株系增强。外源一氧化氮供体SNP能恢复突变体的根系缺陷，而一氧化氮清除剂cPTIO或硝酸还原酶抑制剂钨酸盐则抑制野生型根系伸长。线性回归分析显示根系伸长与根尖一氧化氮含量呈正相关。

OsMADS61等位基因变异与地理分布

通过对4700多份水稻种质资源分析，发现OsMADS61编码区高度保守，但启动子区存在三个单倍型(HapI-III)。功能实验表明HapIII转录活性较低，且主要分布在Aus亚群中(83%)。携带HapI的材料比HapIII具有更长的根系和更高的氮含量，为分子育种提供了重要靶点。

该研究系统阐明了OsMADS61作为硝酸盐信号通路的核心调控因子，通过直接激活OsNRT2.1和OsNR2的表达，协调硝酸盐吸收、同化与根系发育的分子机制。特别重要的是，研究揭示了硝酸还原酶介导的一氧化氮生成是连接氮素代谢与根系形态建成的关键信号枢纽。OsMADS61通过精确调控根尖一氧化氮水平，激活细胞分裂驱动根系伸长，从而优化氮素获取能力。这一发现不仅深化了植物营养信号转导的理论认识，更重要的是为水稻氮高效育种提供了有应用价值的分子靶标。基于OsMADS61启动子单倍型的自然变异分析，为标记辅助选择培育适应低氮环境的高产水稻品种提供了遗传资源。该研究为实现"减施增效"的绿色农业发展目标提供了新思路，对推动农业可持续发展具有重要意义。