2月26日，南京农业大学教授李姗团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、中国科学院院士傅向东和英国牛津大学吉喆博士在《科学》发表研究论文，首次系统解析了水稻在低氮环境下实现根冠协同发育的分子机制，并鉴定出可同步提升氮肥利用效率与产量的OsWRI1a优异单倍型，为“减肥增效”型水稻育种提供了重要的理论创新与基因资源。 长期以来，科学界普遍认为，当氮素供应不足时，植物会启动一种“舍上保下”的生存模式，即通过促进根系生长来增强养分获取能力，但这往往是以牺牲茎叶生长和产量为代价的。如何解决这一矛盾，是实现农业绿色高效发展的核心难题。 该研究从一个在氮供应波动下仍能保持稳定根冠比的突变体入手，鉴定到核心调控基因OsWRI1a。研究发现，在氮匮乏条件下，OsWRI1a能促进根系与地上部协同生长，如同为根系发育开启了“精准导航”，在确保光合产物优先供给籽粒的同时，优化根系空间构型，从而跳出传统“削茎补根”策略导致的减产陷阱。 在根部，OsWRI1a发挥双重作用。一方面，它作为转录因子直接激活氮代谢相关基因的表达，从而提升氮吸收与利用。另一方面，它被李姗团队此前发现的F-box蛋白RNR10介导的多泛素化修饰降解。OsWRI1a充当“调解员”，竞争性地抑制RNR10与生长素合成抑制因子DNR1的结合，从而干扰RNR10对DNR1的单泛素化修饰稳定作用，最终提高生长素水平，驱动根系响应氮信号进行形态重塑。 更有趣的是，RNR10的泛素连接酶活性受到E2及SKP复合体构象变化的动态调控，能在“稳定DNR1”和“降解OsWRI1a”两种模式间灵活切换，确保根系发育与氮素吸收在时间和空间上的高效协同，展现了植物在低氮环境下运筹帷幄的系统性智慧。 OsWRI1a的功能并非“一刀切”，而是呈现出鲜明的时空特异性。这一发现揭示了植物如何通过精细的蛋白互作网络，将氮信号与分蘖发育巧妙整合，为理解作物器官如何响应环境变化提供了崭新的视角。 研究团队将OsWRI1a的优异等位变异OsWRI1aHap.I，导入粳稻品种“武运粳7号”。经过多年多点的田间试验，改良后的种质在低氮条件下依然能保持根冠平衡，氮肥利用效率和产量双双显著提升。 该研究从理论层面颠覆了“低氮必抑冠层”的传统观点，构建了以“根—冠协同”与“碳分配稳态”为核心的植物环境适应新机制。这一成果不仅为协调作物氮肥减施与稳产目标提供了创新性的理论依据，还为作物氮高效育种提供了基因资源和中间材料，助力农业向绿色、高效方向转型。 南京农业大学博士研究生沈成波，牛津大学吉喆博士和南京农业大学钟山青年研究员焦武博士为论文共同第一作者。吉喆、傅向东和李姗为论文通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、江苏省双创计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、江苏省优秀博士后人才资助计划等项目的资助。
相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384
【中国科学报】打破“低氮必抑冠”：根冠协同发育助力“减肥增效”
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https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2026/3/560803.shtm
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