OsWRKY23-DNR1模块调控水稻亚种间氮利用效率差异的分子机制及其育种应用

本研究揭示了水稻亚种间氮利用效率(NUE)差异的关键调控机制，发现转录因子OsWRKY23通过激活负调控因子DNR1抑制生长素积累，从而降低籼稻对硝酸盐(NO3-)的吸收和同化能力。通过创制单片段代换系(SSSL)和基因编辑技术，证实OsWRKY23indica等位基因可提高15%以上产量，为粳稻品种改良提供了重要分子靶标。该成果发表于《Nature Communications》，对实现农业可持续发展具有重要意义。

　　

在农业生产中，氮肥的过度使用已成为全球性难题。虽然氮肥显著提高了作物产量，但其利用率不足40%，不仅造成资源浪费，更导致严重的面源污染。作为全球半数人口的主粮，水稻的氮利用效率(NUE)存在显著亚种差异——籼稻通常比粳稻具有更强的硝酸盐(NO₃^-)吸收能力，但这一现象背后的分子机制长期不明。

中国的研究团队通过构建82个单片段代换系(SSSL)，发现位于1号染色体长臂的OsWRKY23基因是调控亚种间NUE差异的关键因子。该基因在粳稻中存在393bp的启动子插入片段，导致其表达量显著高于籼稻品种。研究人员采用CRISPR/Cas9技术创制突变体，证实OsWRKY23通过直接激活DNR1（一种通过催化吲哚-3-丙酮酸向L-色氨酸转化来抑制生长素积累的氨基转移酶）的表达，进而抑制生长素信号通路。

关键技术包括：1）利用3024份水稻种质资源进行单倍型分析；2）染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)鉴定OsWRKY23靶基因；3）酵母单杂交和电泳迁移率实验(EMSA)验证蛋白-DNA互作；4）基于¹⁵N标记的硝酸盐吸收动力学测定；5）组织特异性启动子活性分析。

OsWRKY23是水稻NO₃^-吸收的负调控因子

通过比较单片段代换系SSSL-W56与受体亲本HJX74，发现粳稻型OsWRKY23可使硝酸盐吸收率降低28%。基因编辑实验显示，oswrky23突变体具有更高的NR（硝酸还原酶）活性和更发达的根系构型(RSA)。

OsWRKY23靶向激活DNR1转录

ChIP-seq和EMSA实验证实OsWRKY23通过结合DNR1启动子的TTGAC核心序列激活其表达。值得注意的是，粳稻DNR1启动子中520bp的特有片段使其对OsWRKY23的响应强度比籼稻高3倍。

OsWRKY23-DNR1模块通过OsARFs调控氮代谢

双突变体分析表明，oswrky23 dnr1表现出与dnr1相似的生长素积累水平和氮吸收能力。进一步研究发现，生长素响应因子OsARF6/17可部分恢复OsWRKY23过表达株系的硝酸盐转运蛋白(OsNRT1.1B)和硝酸还原酶(OsNIA2)表达缺陷。

低OsWRKY23表达赋予低氮适应性

单倍型分析显示，缺失393bp片段的OsWRKY23^indica等位基因在低氮土壤地区富集。野生稻研究表明，该片段在粳稻祖先种OR-J中普遍存在，而在籼稻祖先种OR-I中仅11.1%保留，暗示强烈的自然选择压力。

这项研究不仅解析了OsWRKY23-DNR1-生长素级联反应调控NUE的分子机制，更通过地理分布和进化分析揭示了该模块在作物环境适应中的重要作用。将籼稻型OsWRKY23等位基因导入粳稻，可使产量提高15%以上，为培育"减氮增效"水稻品种提供了全新策略。论文中创制的oswrky23 dnr1双突变体在高低氮条件下均表现优异，展现出广阔的育种应用前景。