2022
08/31
相关创新主体

创新背景

蛋白质、核酸、植物激素等化合物的成分氮是植物生长所必需的营养成分。植物生长所必需的营养元素中,土壤中的氮元素容易流失,因此常常成为作物产量的限制因素。绿色革命以后,为了支撑人口增加带来的粮食供求,通过大量投入氮肥来提高作物产量。另一方面,农业中大量的氮肥施肥,造成湖沼、河川、海域的富营养化、底层的贫氧化、地下水的污染等,排放到大气中的氮氧化物成为酸雨的原因和全球变暖物质。为了在最大限度地减少对地球环境的影响的同时维持并提高作物生产量,有必要开发改善养分吸收和氮利用效率的作物品种。

 

创新过程

东京大学与龙谷大学、滋贺县立大学进行合作,用野生稻染色体取代日本水稻品种(越光水稻)染色体的一部分的系统组。

该研究团队关注并研究了野生稻的基因多样性。研究包括野生稻(Oryza rufipogon)和野生异种系(野生稻ILs),这是由栽培稻(水稻品种越光)培育的。研究人员筛选了即使在低氮营养环境中也能显示大量生物量的系统。结果,野生稻ILs之一的KRIL37,在低氮营养环境中的水培栽培(氮含量设置为正常 1/4)中生长得比越光更好,并且发现地面部分(叶子和茎)的 C/N 比较低。该研究成果于2022年7月28日发表在《植物与细胞生物学》上。

研究结果表明,在低氮营养环境中,KRIL37具有较高的氮吸收能力。接着,研究团队在东京大学弥生校区设置的无氮肥水田以及滋贺县立大学设置的无施肥水田中进行了生长调查,发现KRIL37在无氮施肥和无施肥稻田中表现出比越光更大的生物量和产量。研究发现,KRIL37具有低氮营养耐受性的系统,不仅在实验室内的水耕栽培中有用,在实际的水田环境中降低氮肥的栽培中也有用。

此外,为了明确KRIL37表示的低氮营养耐受性的分子机制,研究团队利用RNA-seq法进行了转录组分析。分析结果显示,在KRIL37中,氨转运体(OsAMT1;2,OsAMT1;3)或谷氨酸合成酶(OsGOGAT1,OsGOGAT2,OsGLN1;2)、在低氮营养环境中,编码谷氨酸受体(OsGLR1.2)的mRNA的存储量等维持在较高水平。由于谷氨酸合成酶已知由铵诱导,因此KRIL37显示的高mRNA储存量表明在低氮营养环境中促进了铵的吸收,同样,KRIL37表现出的低C/N 结果与高氨运输机的mRNA积累量相匹配。 

谷氨酸合成酶在将氨转换为谷氨胺(一种氨基酸)的氮同化过程中具有重要作用,因此,除了在低氮营养环境中吸收氨外,氮同化的改善被认为是KRIL37在低氮营养环境中表现出巨大生物量的因素。实际计算低氮营养环境中的氮利用效率后,KRIL37 的氮利用效率比越光高出一倍左右。

本项研究在野生水稻中发现的提高低氮营养环境中氮利用效率的基因资源,被认为可用于低投入可持续农业,减少了造成环境污染的化肥的使用。

未来,通过分离致病基因,DNA标记物(注10)有望开发有效的新品种,并应用于小麦和玉米等其他水稻作物。

 

创新关键点

东京大学与龙谷大学、滋贺县立大学进行合作,用野生稻染色体取代日本水稻品种(越光水稻)染色体的一部分的系统组,在低氮营养环境中,发现了显示大生物量和产量的系统(KRIL37),并通过测量体内氮和转录本分析,在KKR37中发现氮在氮营养环境中的使用效率增加。

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