作物氮肥利用效率遺傳改良研究進展

李姍，黃允智，劉學英，傅向東,3

優博專欄

作物氮肥利用效率遺傳改良研究進展

李姍1，黃允智1，劉學英2，傅向東2,3

1. 南京農業大學，作物遺傳與種質創新國家重點實驗室，南京 210095 2. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所，植物細胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101 3. 中國科學院大學，北京 100049

氮素是植物生長發育所需的大量元素之一，施用氮肥是農業生產中提高農作物產量的重要手段。自20世紀60年代以來，“綠色革命”半矮稈農作物品種的育成和大面積推廣有效地解決了“高產與倒伏”之間的矛盾，提高了農作物的收獲指數和產量。然而半矮稈水稻和小麥品種也表現出生長發育對氮肥響應減弱、根系對銨態氮和硝態氮的吸收能力下降以及氮肥利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)低的弊病，其產量增加依賴于氮肥的大量投入，這不僅提高了種植成本還導致了嚴重的環境污染問題。因此，提高農作物氮肥利用效率對于保障國家糧食安全和農業可持續發展具有重要戰略意義。本文概述了“綠色革命”與赤霉素的作用機理，系統總結了植物氮素吸收、同化和代謝調控方面的研究進展，并介紹了提高作物氮肥利用效率的最新研究發現，以期為作物氮肥高效利用的遺傳改良提供參考。

水稻；綠色革命；氮肥利用效率；可持續農業

自20世紀60年代以來，以半矮稈小麥(L.)和水稻(L.)等農作物品種的培育和推廣為標志的“綠色革命”帶來了全球糧食產量的飛躍，解決了由于人口快速增長而引發的糧食危機。水稻半矮稈基因()和小麥半矮稈基因()的應用解決了因密植和大量施肥而導致的倒伏問題，提高了收獲指數，使作物單產大幅度提升。然而，半矮稈品種也伴隨著生長發育對氮肥響應減弱、根系對氮素吸收能力下降以及氮肥利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)降低等問題[1]。聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)的數據顯示，在過去10年中，世界范圍的氮肥消耗量顯著增加，但糧食產量增速緩慢，氮肥的過量投入不但沒有大幅度地提高產量，反而導致了經濟效益和生態效益的下滑。目前農田氮肥利用效率僅為40.2%，大部分氮肥在土壤中累積，并隨著水土而流失進江河湖?；蚪涍^微生物反硝化作用排入大氣，這不僅浪費了資源和能源，還引起了土壤酸化、大氣和水體污染等一系列生態環境問題。因此，在保證產量不減的基礎上如何提高氮肥的利用效率，減少氮肥的使用量是我國農業可持續發展亟待解決的重要問題。

1 “綠色革命”與赤霉素的作用機理

“綠色革命”的分子本質歸結于赤霉素(gibbe-rellic acid, GA)的生物學效應。小麥“綠色革命”基因編碼赤霉素信號途徑的負調控因子DELLA蛋白，育種中應用比較廣泛的和均編碼N端截斷突變形式的DELLA蛋白[2]，突變形式的DELLA蛋白本身不受GA誘導降解而積累，使小麥表現出半顯性的、GA不敏感的半矮化表型[3]。水稻“綠色革命”基因位于1號染色體的長臂上，編碼GA合成途徑的GA20氧化酶2 (GA20ox2)。在秈稻生產上廣泛應用的是該基因缺失了383 bp的突變類型，突變導致蛋白翻譯提前終止，阻斷了GA53至GA20的合成過程，降低了水稻內源活性GA的含量，使水稻DELLA蛋白SLR1 (SLENDER RICE 1)高水平積累，進而導致水稻株高降低[4,5]。

DELLA蛋白為植物特有的GRAS家族(由最初發現的3個家族成員GAI、RGA和SCR的特征字母命名)的一個亞家族，是GA信號途徑的關鍵元件，在胞內起到阻遏植物生長發育的作用[6～8]。GA信號首先被赤霉素受體蛋白GID1 (GIBBERELLIN- INSENSITIVE DWARF1)感知并與之結合[9]。GID1中存在一個可以結合GA的口袋和一個可延展的N端區域[10]，具有生物活性的GA與GID1結合后，GID1蛋白的N端區域就會蓋住口袋，然后與DELLA蛋白的TVHYNP結構域互作形成GA-GID1-DELLA復合體[10,11]，進一步使DELLA蛋白的GRAS結構域發生變化，增強DELLA蛋白與F-BOX蛋白(SCFSLY1/GID2)的互作強度[12]，加速了DELLA蛋白的泛素化和26S蛋白酶體降解進程。植物生長阻遏蛋白DELLA被降解后，釋放與其互作的轉錄因子，游離的轉錄因子啟動GA信號途徑相關基因的表達，進而促進植物的生長發育。DELLA蛋白N端的兩個保守結構域DELLA和TVHYNP在擬南芥()、水稻、小麥、玉米(Linn.)和大麥(L.)等不同物種中高度保守。擬南芥基因組中的DELLA蛋白有5個成員，分別是GAI (GA-INSENSITIVE)、RGA (REPRESSOR OF)、RGL1 (RGA-LIKE1)、RGL2 (RGA-LIKE2)和RGL3 (RGA-LIKE3)。小麥綠色革命基因、玉米矮稈基因()、水稻和大麥()均為的直系同源基因[6,7,13,14]。

水稻生長調節因子OsGRF4 (growth-regulating factor 4)能與GIF1 (GRF-interacting factor 1)蛋白形成轉錄激活復合體，該復合體可以直接結合多個氮代謝相關基因的啟動子，并促進基因表達，從而促進氮的吸收同化和轉運。而DELLA蛋白能與OsGRF4互作，并抑制OsGRF4-GIF1復合體的形成，進而抑制了氮代謝相關基因的表達[15]。()是一個控制水稻分蘗響應土壤供氮水平變化的關鍵基因，其編碼一個AP2 (APETALA2)結構域的轉錄因子。NGR5能夠招募PRC2復合體(polycomb repres-sive complex)并通過介導組蛋白H3K27m3甲基化修飾來調控水稻分蘗相關基因的表達。此外，基因表達受氮素調控，并且NGR5蛋白還是GA-GID1促進的蛋白酶體降解的新靶標。DELLA能與NGR5蛋白互作并與之競爭性結合GID1蛋白來抑制NGR5降解，從而促進水稻分蘗增加[16]。

因此，“綠色革命”半矮稈的水稻和小麥因DELLA蛋白高水平積累而獲得了3個方面的特性：第一，DELLA蛋白的積累因抑制植物的生長而降低了株高，提高了抗倒伏能力；第二，高水平的DELLA蛋白抑制了OsGRF4對下游氮響應因子的激活作用，降低了作物的氮肥利用效率；第三，高豐度的DELLA提高了NGR5蛋白的穩定性，促進了植物分蘗，提高了產量。因此，半矮稈的水稻、小麥品種在高水肥條件下能保持其半矮化、抗倒伏和多分蘗等高產特性，但同時也降低了作物的氮素響應和氮肥利用效率(圖1)。

2 植物的氮素吸收、轉運與同化

氮素是植物生長發育所必需的大量元素之一，是體內氨基酸和蛋白質的重要構成組分，其平均含量約占植物干重的1.5%。為了獲取充足的氮源以滿足生長發育的需要，植物根系需要從土壤中吸收不同形式的氮素，包括硝態氮(NO3?)、銨態氮(NH4+)、可溶性多肽和復雜的不溶性含氮化合物等，其中以吸收NO3?和NH4+為主。

2.1 NO3?的吸收和轉運

在通氣良好的旱田土壤中，植物主要以NO3?為氮源，植物根系吸收NO3?主要依靠硝酸鹽轉運蛋白(nitrate transporters, NRTs)來完成。從植物中分離鑒定出來的NO3?轉運體大致分為4類：NRT1/PTR (nitrate transporter 1/peptide transport family)、NRT2 (nitrate transporter 2)、CLC (chloride channel)和SLAC1/SLAH (slow anion channel/slow anion chan-nel homolog)。其中，大多數NRT1蛋白主要發揮低親和力NO3?轉運蛋白功能，但擬南芥AtNPF6.3/ AtNRT1.1、水稻OsNPF2.42和蒺藜苜蓿() MtNRT1.3例外；NRT2主要負責低濃度NO3?的轉運；CLC蛋白部分成員是液泡膜定位的NO3?/H+的逆向轉運蛋白，在液泡的NO3?積累方面發揮作用[17]；SLAC1/SLAH家族蛋白定位在保衛細胞和根的中柱細胞，可能參與氣孔的關閉和NO3?從根到莖的運輸[17,18]。

在模式植物擬南芥中，有關NO3?吸收的分子機制研究比較深入。NRT1和PTR蛋白家族也被稱為NPF (NRT1 PTR family)[19]。除AtNPF6.3/AtNRT1.1/ AtCHL1外，擬南芥NPF家族成員均屬于低親和力轉運體。AtNPF6.3/AtNRT1.1/AtCHL1屬于雙親和力轉運體，在高濃度和低濃度的NO3?條件下均參與根系對NO3?的吸收，這主要取決于AtNRT1蛋白的第101位蘇氨酸是否發生磷酸化。當T101位被磷酸化時，AtNPF6.3/AtNRT1.1作為高親和力的NO3?轉運體在低濃度NO3?的條件下發揮作用；當T101位沒有被磷酸化時，AtNPF6.3/AtNRT1.1作為低親和力的NO3?轉運體在高濃度NO3?的條件下發揮作用[20]，在此過程中蛋白激酶CIPK23 (calcineurin B-like interacting protein kinase 23)感應NO3?信號，能夠對AtNRT1.1進行磷酸化修飾，進而調控AtNPF6.3/ AtNRT1.1對NO3?的親和活性和吸收[21]。擬南芥NRT2家族至少有7個成員，其中6個成員發揮吸收NO3?的功能需要伴侶蛋白NAR2 (nitrate assimilation related protein 2)的存在，NRT2和NAR2家族成員均是NO3?高親和力運輸系統的組成部分[22,23]。

圖1 新“綠色革命”品種協同提升氮肥利用效率與產量

在厭氧條件下土壤中的氮素多以NH4+形式存在，但由于根系周圍發生的硝化作用，仍有大量的氮以NO3?的形式被作物吸收，因此NO3?對于水稻等喜銨作物也十分重要[24]。水稻中NO3?轉運蛋白大致可以分為低親和力轉運體OsNRT1和高親和力轉運體OsNRT2兩個家族，而OsNPF6.5 (OsNRT1.1B)和OsNPF6.1例外。編碼雙親和的NO3?轉運蛋白，受硝酸鹽誘導表達，在高、低NO3?濃度下都會發揮吸收NO3?的功能，高表達后可以顯著促進根系對NO3?的吸收，增加株高、產量和籽粒的氮積累[25]。此外，能影響根系富集的、具有氮轉化能力的微生物組，從而改變根際微環境，進而影響水稻的氮肥利用效率[26]。OsNPF6.1也是一個雙親和硝酸根轉運蛋白，定位于質膜，在根部高表達，在硝酸鹽的吸收和再分配中發揮作用，并且受氮響應的轉錄因子OsNAC42的調控[27]。編碼一個定位于液泡膜上的低親和力NO3?轉運蛋白，其表達不受硝酸鹽的誘導，而受銨鹽的誘導，主要參與細胞內硝酸鹽、銨鹽利用的調節[28]。在高濃度NO3?條件下低親和力轉運體OsNPF8.9 (OsNRT1.1) 和OsNPF2.4 (OsNRT1.6)發揮吸收NO3?的功能[29,30]。在低濃度NO3?條件下，NRT2家族成員的高親和力轉運蛋白OsNRT2.1、OsNRT2.2及其伴侶蛋白OsNAR2.1 起主導作用[31,32]。OsNRT2家族成員OsNRT2.3具有OsNRT2.3a和OsNRT2.3b兩種不同的剪接形式。編碼一個由516個氨基酸殘基組成的膜定位蛋白，負責NO3?在韌皮部的長距離運輸；編碼一個由486個氨基酸殘基組成的膜定位蛋白，在莖韌皮部高表達，在根部低表達，是一個pH敏感的NO3?轉運蛋白，其發揮功能不需要OsNAR2.1的協助[33,34]。

2.2 NH4+的吸收和轉運

在淹水環境中生長的植物主要以NH4+為氮源。NH4+的攝入主要由NH4+轉運體家族(ammonium transporter/methylammonium permease/rhesus, AMT/ MEP/Rh)來完成。在植物中，NH4+轉運體主要有AMT1和AMT2/MEP兩個蛋白亞家族。目前研究表明，AMT家族成員在擬南芥中有6個、衣藻()中有8個、水稻中有10個、楊樹(L.)中有14個[35,36]。

擬南芥的根系吸收NH4+主要由、、和四個基因負責，它們均編碼定位于細胞質膜的轉運蛋白，并在根表皮細胞高表達，在氮源缺乏或供應蔗糖的情況下，這4個基因的表達均上調[37,38]。這4個成員的NH4+吸收能力排序為：AtAMT1.1 = AtAMT1.3 > AtAMT1.2 > AtAMT1.5，其中AtAMT1.1、AtAMT1.2 和AtAMT1.3三個成員承擔了擬南芥根系對NH4+吸收量的90%[39,40]。

水稻主要以吸收NH4+為主。目前發現水稻中至少有10個OsAMT成員，分為OsAMT1、OsAMT2、OsAMT3和OsAMT4四個家族[41]。其中OsAMT1、OsAMT2、OsAMT3各包含3個成員，OsAMT4只有1個成員。OsAMT1家族成員屬于高親和力NH4+轉運體(high-affinity transport system, HATS)。在NH4+濃度較低時，高親和力的銨轉運體負責植物根系對NH4+的吸收，會表現飽和動力學特征；而當NH4+濃度較高(1～40 mmol/L)時，低親和力NH4+轉運體起主導作用，不會表現出飽和動力學特征[42]。在水稻根部和地上部組成型表達，其表達水平受底物積累的反饋調節；在根部特異性表達，其表達水平受NH4+的誘導；同樣在根部特異性表達，其表達水平受高濃度銨的抑制。根部游離的谷氨酸鹽抑制的表達，但可以促進和的表達[36]。

2.3 植物的氮素同化途徑

植物根系吸收的不同形式的氮源需要經過一系列的同化作用才能被植物體利用。植物吸收的NO3?大部分被運送至地上部分進行同化與利用。首先在細胞質中，NO3?在硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)的作用下被還原成NO2?，隨后NO2?被運送至細胞質體中，在亞硝酸還原酶(nitrite reductase, NiR)的作用下轉變成NH4+，最后NH4+在谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合酶(glutamine synthetase/ferredoxin-glutamate syn-thase, GS/Fd-GOGAT)的作用下進入谷氨酸循環。首先GS催化NH4+與谷氨酸結合生成谷氨酰胺，隨后谷氨酰胺與三羧酸循環的中間產物2-酮戊二酸(2-OG)在GOGAT催化作用下生成兩個谷氨酸[43]。參與GS/GOGAT循環的酶主要是定位于葉綠體的GS2和Fd-GOGAT以及定位在細胞質中的GS1和NADH-GOGAT (nicotinamide adenine dinucleotide- glutamate synthase)。

水稻GS1家族有3個成員。對水稻的生長和灌漿非常重要，幾乎在水稻的所有組織中都能檢測到的表達，在葉片中表達最高。在根部特異性表達，不僅參與NH4+在根部的同化過程，還參與水稻對高溫的響應；的突變體其分蘗數、穗粒數和千粒重均顯著減少，總氨基酸、谷氨酸和天冬酰胺含量顯著下降，表明其在根部的NH4+同化過程中起著重要作用[44]。主要在小穗中表達，并且和均不能補償的功能[45]。主要在葉片的葉綠體中表達，在光呼吸作用釋放出來的NH4+的再同化過程中起主導作用[46]。

由于NH4+對植物具有毒害作用，因此植物根系從土壤吸收的NH4+大部分在根部進行同化，然后主要以谷氨酸和谷氨酰胺的形式向地上部運輸，在水稻中OsGS1.2和OsNADH-GOGAT1在這個過程中起主要作用。當外界NH4+濃度升高時，和在根部表皮細胞和外皮層細胞中的表達量會顯著上升，從而將NH4+快速同化，生成的谷氨酰胺和谷氨酸被運輸到地上部[47]。

3 植物的氮素代謝調控

氮代謝是植物生命活動中最基本的物質代謝過程之一。植物在長期的進化過程中，形成了一套復雜的、精細的氮素代謝調控網絡來感知、響應氮素水平的動態變化以快速獲取生長所需的氮營養。目前研究發現，植物的氮素代謝也受到多種轉錄因子、miRNA、植物激素等的共同調控。

3.1 轉錄因子調控植物氮代謝

轉錄因子是一類能識別基因上游啟動子特異性基序，調控基因表達的蛋白質分子。研究表明，NAC (NAM, ATAF, CUC)、NLP (NIN-LIKE protein)、BTB (Bric-a-Brac/Tramtrack/Broad)、Dof (DNA-binding with one finger)、bZIP (basic leucine zipper)和MYB (v-Myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)等轉錄因子均參與植物氮代謝的調控過程。NAC是植物特有的一類轉錄因子。水稻基因表達受低氮誘導，OsNAC42蛋白可與啟動子結合進而激活的表達[27]。NLP是一類調控氮誘導相關基因表達的轉錄因子[48]，能夠調控、()、和()等NO3?響應基因的表達。此外，Ca2+依賴蛋白激酶III亞族(subgroup III Ca2+- sensor protein kinases, CPKs) 中的成員CPK10/30/32能轉導NO3?信號誘導產生的Ca2+濃度變化，通過磷酸化激活NLP蛋白的活性，組成NO3?-CPK-NLP信號傳導網絡，進而促進根系和葉片發育[49]。擬南芥/編碼BTB家族蛋白，其表達受轉錄因子NLP調控。在低氮條件下，BT1/BT2通過負調控基因的表達來影響氮吸收[50]。Dof是植物特有的一類轉錄因子。水稻中OsDOF18能調控下游多個基因和氮同化基因的表達，從而調節NH4+的運輸和氮分配[51]。bZIP轉錄因子在植物氮信號傳導、氮代謝和碳–氮平衡過程中均發揮重要作用，如小麥TabZIP60負調控氮素利用[52]。水稻中的生長調控因子OsGRF4蛋白能夠直接激活氮吸收和同化相關基因的表達，同時也能激活光合作用相關基因的表達，實現對植物碳–氮代謝平衡的調控[15]。MYB是一類包含Myb保守結構域、具有調控植物生長發育功能的轉錄因子。水稻MYB61是一種調節纖維素合成的轉錄因子，其基因表達受低氮誘導并受OsGRF4的調控，因此OsGRF4-MYB61信號通路將纖維素合成與氮響應代謝聯系在一起[53]。Varala等[54]將機器學習引入到基于時間序列的氮反應轉錄組數據分析中，明確了氮信號相關轉錄因子的時序性調控關系，并發現146個能夠響應氮信號的新轉錄因子。Gaudinier等[55]利用大規模酵母單雜交(yeast one- hybrid, Y1H)篩選調節氮代謝的轉錄因子，并結合大數據分析得到了一個氮代謝相關的酵母單雜交網絡(yeast one-hybrid network for nitrogen-associated metabolism, YNM)，并通過計算預測了在氮代謝中起關鍵作用的轉錄因子。這些研究為深入研究植物氮吸收、代謝調控網絡提供了很大的幫助。

3.2 MicroRNA調控植物氮代謝

MicroRNA (miRNA)是在真核生物中發現的一類內源性的具有調控功能的非編碼RNA，長度約為20～25 bp。miRNA對靶基因mRNA穩定性及其翻譯過程的作用，是植物在轉錄后水平調控基因功能的重要方式之一[56]。

第一個將miRNA與氮素利用聯系起來的基因是miRNA167靶標基因()。研究發現，在根的中柱鞘中，硝酸鹽和谷氨酰胺/谷氨酸抑制的表達，從而增強的轉錄水平，最終導致側生根數目增多[57]。()的表達受硝酸鹽誘導，高表達能抑制主根生長而促進側根生長，而氮的代謝物促進的表達，隨后會抑制的表達[58]。和以及它們的下游基因形成了一個改變植物根系結構來響應氮信號的反饋機制。

在氮饑餓狀態下，(,)家族成員的表達量上升，這是由于的表達下降引起的。在低氮條件下，在韌皮部的表達量下降，暗示著能夠在植物體內的氮含量信號從莖至根的長距離傳輸過程中發揮作用[59]。過表達會抑制氮誘發的側根生長，但能夠通過增強磷轉運基因的表達來提高作物的含磷量，這說明能夠聯系氮、磷信號通路[60]。磷饑餓能誘導的表達，進而降低靶基因()的表達，而NLA參與植物低氮逆境脅迫響應。在低氮條件下，與野生型相比，突變體中能積累更多的磷[61]。因此，miRNA不僅通過改變植物根系構型和氮信號的長距離傳輸，還通過與磷信號通路互作來調節植物根系對氮的響應。

3.2 植物激素信號與氮信號的互作

環境中的氮源還是植物生長發育和響應環境脅迫的重要信號物質。許多氮代謝與激素信號轉導相關的最新發現都將氮信號與植物激素信號聯系在一起。

生長素(Indole-3-acetic acid, IAA)的極性運輸是由頂部運送至基部，促進側根的起始和發育。因此，IAA一直被認為是介導氮信號從地上部傳遞至地下部的媒介[62]。NRT1.1可以通過調節硝酸鹽依賴的生長素運輸和硝酸鹽信號途徑來調控側根的生長。模擬磷酸化的AtNPF6.3/AtNRT1.1T101D的突變表現出較強生長素運輸調節能力，促進生長素快速橫向流動，而非磷酸化的AtNPF6.3/AtNRT1.1T101A的突變表現出較弱的生長素運輸調節能力，導致生長素在根尖積累，表明低NO3?誘導的T101磷酸化影響了生長素運輸從而調節生長素介導的側根生長[63]。NLP7能誘導生長素生物合成基因()和生長素外排基因()的表達[49]。在低氮條件下，突變體在側根原基中的生長素積累減少，側根的形成受到抑制[64]。Gaudinier等[55]構建的酵母單雜交網絡表明生長素響應因子ARF9能調控PNR (primary nitrate responses)基因(例如和())的表達；ARF18能調控下游氮代謝基因和的表達。在水稻中，()編碼一個負調控生長素合成的酶，其表達水平受外界氮供應的調控從而改變植物體內的生長素含量，進而影響生長素響應因子OsARF6和OsARF17對下游氮代謝相關基因的調控作用，最終影響植物的氮代謝[65]。

脫落酸(abscisic acid, ABA)被認為是一種參與植物響應脅迫的應激激素。外界高濃度的氮素能夠抑制擬南芥側根發育，ABA信號途徑可能參與其中[66]。ABA不敏感突變體(、、)和ABA合成缺失突變體(、、和)的側根生長對高濃度NO3?的抑制作用不敏感。在ABA信號轉導關鍵調節因子ABI2的突變體中，NO3?誘導表達和側根生長的效應減弱，說明ABI2在NO3?信號傳遞途徑中發揮作用[21]。赤霉素信號途徑的DELLA蛋白調控植物生長發育對氮肥的響應。一方面，DELLA蛋白可以與OsGRF4互作，抑制OsGRF4-GIF1轉錄激活復合體的形成，從而抑制OsGRF4對下游氮代謝基因的激活作用，降低作物的氮吸收能力[15]；另一方面，DELLA蛋白結合GID1蛋白抑制氮響應因子NGR5降解，而NGR5能促進植物分蘗，調控植株在高氮水平下的分蘗響應。氮響應負調控因子LBD可以直接結合在啟動子上調控的表達，而OsTCP19作為轉錄因子可以抑制油菜素內酯(brassinosteroids, BRs)信號途徑中的關鍵組分()的表達，從而調控水稻分蘗。LBD-OsTCP19-DLT通路證明了BR信號途徑直接參與氮調控植物生長發育的過程[67]。茉莉酸甲酯(methyl jasmonate, MeJA)處理使水稻根系中和的轉錄水平和蛋白質水平均降低，并且根系中的NO3?和NH4+轉運相關基因的表達水平顯著下降，抑制了根中氮素的吸收和同化，并且MeJA 還會導致質體分解和谷氨酸脫氫酶上調，促進葉片中氮的再利用[68]。

4 提高作物氮肥利用效率

提高作物品種的氮肥利用效率，減少氮肥投入和環境污染已成為農業可持續發展中一個艱巨的挑戰。影響作物氮利用效率的主要因素包括兩個部分：氮吸收效率(nitrogen uptake efficiency, NUpE)和氮利用效率(nitrogen utilization efficiency, NUtE)。氮吸收效率是指成熟農作物地上部分的含氮量與土壤中含氮量的比值；氮利用效率是指單株粒重與成熟農作物地上部分的含氮量之比[69]。一般來說，在高氮條件下，氮吸收效率與氮效率的關聯較大，而在低氮條件下，氮利用效率與氮效率的關聯性較大[70]。

提高氮的吸收、同化效率是提高作物氮效率最有效的途徑。例如，高表達能夠增加作物產量并提高NUE，因此，將該基因表達水平較高的秈稻等位基因導入到表達水平較低的粳稻品種中，可以顯著改良作物的NUE[25]。秈稻類型基因編碼具有更強活性的硝酸還原酶NR2，將秈型等位基因導入到粳稻品種中能有效地提高分蘗數、產量和NUE[71]。野生稻來源的優異等位基因OsNPF6.1能提高氮吸收和NUE，并在低氮條件下提高水稻的產量[27]。過表達和均可以提高水稻的產量和NUE[28,33]；使用的啟動子驅動基因在根和莖中特異性高表達可以顯著提高水稻的NUE和谷物產量[72]。過表達后能夠促進側根的形成，提高水稻NUE和產量[73]。和過表達后能增加水稻的分蘗、提高NUE和產量[74,75]。通過增加亞硝酸還原酶基因啟動子中的硝酸鹽反應順式元件(nitrate-responsive cis-element, NRE)可以顯著地增強其氮同化的功能[76]。使用擬南芥的啟動子驅動一個由和嵌合產生的硝酸鹽轉運蛋白基因的表達可以激活植物體內硝酸鹽的再利用，從而提高NUE和產量[77]。在水稻中過量表達能夠增強水稻根系對NH4+的吸收，在低濃度的NH4+環境下能促進水稻生長，提高NUE和產量；但在高濃度的NH4+環境下植株會表現出銨中毒[78]。過量表達可以在高氮條件下協同提高水稻的NUE和產量[79]，但也有研究表明過量表達GS后會破壞碳–氮代謝平衡，從而影響水稻的生長和產量[44]。

NUE是一個復雜性狀，受植物生命周期中不同的代謝、發育和環境信號網絡的協同控制。因此，僅僅通過提高植物的氮素吸收和同化來提高NUE存在著局限性，而通過優化植物氮素響應、代謝信號網絡，系統性協調植物的生長發育和代謝過程來提高作物NUE是一個更加理想的策略。()基因編碼的植物G蛋白的γ亞基，其通過與水稻Gα亞基(RGA1)和Gβ亞基(RGB1)互作共同調控植物的氮響應。顯性等位基因可使植物在營養生長期的地上部生長發育對氮不敏感，但能增強植物根系的氮吸收和同化能力，提高氮肥利用效率，進而提高收獲指數和產量[80]。MYB61是聯系碳–氮代謝的關鍵節點，受到OsGRF4的調控，其啟動子區域存在一個helitron轉座子插入的秈粳分化，將不含轉座子插入的、秈稻來源的導入到粳稻品種中可以同時提高作物的纖維素合成水平和NUE，并在低氮條件下促進增產[53]。編碼一個葉綠體蛋白，其功能缺失突變可延遲植物衰老，在低氮條件下提高NUE，攜帶啟動子小片段插入的低表達的突變類型可在低氮條件下提高NUE和產量[81]。能夠響應外界的氮信號，通過改變生長素的水平來調控氮代謝，啟動子存在520 bp的片段插入/缺失的秈粳差異，將片段缺失型低表達的秈稻等位基因導入到粳稻中可以顯著提高其NUE和產量[65]。啟動子在不同品種中存在29 bp的插入/缺失，缺失型的啟動子可以使氮響應負調控因子LBD蛋白高效地結合在該位點并抑制的表達，從而促進水稻的分蘗發育。而在我國現代水稻品種中這一氮高效的變異類型幾乎全部丟失，將該等位基因導入現代水稻品種中可以在少施氮肥的條件下顯著提高水稻的NUE[67]。DELLA蛋白是“綠色革命”的關鍵蛋白，其在作物中的高積累量賦予了“綠色革命”品種半矮化、抗倒伏、高產、低NUE等特性，其效應與關鍵作用因子OsGRF4和NGR5密切相關。的優異等位基因GRF4能顯著增加自身的轉錄水平和蛋白水平，使得DELLA-OsGRF4平衡向OsGRF4豐度增加傾斜，可在不增加作物株高的情況下協同提高作物的光合作用和氮肥利用效率[15]；能響應土壤的氮素水平變化，正向調控水稻的生長發育，提高的表達能夠保持其半矮稈、耐倒伏、多分蘗等高產特性的同時，提升水稻的NUE；在“綠色革命”品種中聚合應用和優異等位基因可以進一步提高水稻產量和NUE[16]。

5 結語與展望

氮肥是促進作物生長發育和產量提高的重要因素。通過遺傳改良培育氮肥高效利用的農作物新品種對農業可持續發展至關重要。利用各種種質資源材料和遺傳材料，深入挖掘氮肥利用和吸收效率相關的關鍵基因、解析其遺傳調控網絡，并將優異等位基因用于育種，是培育氮高效品種的重要途徑。近年來，隨著功能基因組學的不斷發展，植物的氮吸收、代謝及其信號轉導和調控網絡得到了不斷的完善，越來越多具有改良作物NUE和提升產量潛力的基因被發現，但如何結合植物生長和代謝平衡的調控網絡，將這些優良的基因應用到育種實踐中，培育出“少投入、多產出、環境友好”的資源高效型作物品種還需要很大努力。

總之，隨著氮素吸收、代謝和響應的信號傳導分子機制的不斷解析，必將極大地促進農作物NUE和產量的協同改良、推動新一輪的“綠色革命”。

[1] Pingali PL. Green Revolution: Impacts, limits, and the path ahead.,2012, 109(31): 12302–12308.

[2] Van De Velde K, Thomas SG, Heyse F, Kaspar R, Van Der Straeten D, Rohde A. N-terminal truncated RHT-1 proteins generated by translational reinitiation cause semi-dwarfing of wheat Green Revolution alleles., 2021, 14(4): 679–687.

[3] Peng J, Richards DE, Hartley NM, Murphy GP, Devos KM, Flintham JE, Beales J, Fish LJ, Worland AJ, Pelica F, Sudhakar D, Christou P, Snape JW, Gale MD, Harberd NP. 'Green revolution' genes encode mutant gibberellin response modulators., 1999, 400(6741): 256–261.

[4] Sasaki A, Ashikari M, Ueguchi-Tanaka M, Itoh H, Nishimura A, Swapan D, Ishiyama K, Saito T, Kobayashi M, Khush GS, Kitano H, Matsuoka M. Green revolution: a mutant gibberellin-synthesis gene in rice., 2002, 416(6882): 701–702.

[5] Zhang QF. Strategies for developing green super rice., 2007, 104(42): 16402–16409.

[6] Chandler PM, Marion-Poll A, Ellis M, Gubler F. Mutants at thelocus of barley cv Himalaya. Molecular and physiological characterization., 2002, 129(1): 181–190.

[7] Ikeda A, Ueguchi-Tanaka M, Sonoda Y, Kitano H, Koshioka M, Futsuhara Y, Matsuoka M, Yamaguchi J., a constitutive gibberellin response mutant, is caused by a null mutation of thegene, an ortholog of the height-regulating gene., 2001, 13(5): 999–1010.

[8] Ogawa M, Kusano T, Katsumi M, Sano H. Rice gibberellin-insensitive gene homolog,, encodes a nuclear-localized protein capable of gene activation at transcriptional level., 2000, 245(1): 21–29.

[9] Ueguchi-Tanaka M, Ashikari M, Nakajima M, Itoh H, Katoh E, Kobayashi M, Chow TY, Hsing YIC, Kitano H, Yamaguchi I, Matsuoka M.encodes a soluble receptor for gibberellin., 2005, 437(7059): 693–698.

[10] Shimada A, Ueguchi-Tanaka M, Nakatsu T, Nakajima M, Naoe Y, Ohmiya H, Kato H, Matsuoka M. Structural basis for gibberellin recognition by its receptor GID1., 2008, 456(7221): 520–523.

[11] Ueguchi-Tanaka M, Nakajima M, Katoh E, Ohmiya H, Asano K, Saji S, Hongyu X, Ashikari M, Kitano H, Yamaguchi I, Matsuoka M. Molecular interactions of a soluble gibberellin receptor, GID1, with a rice DELLA protein, SLR1, and gibberellin.,2007, 19(7): 2140–2155.

[12] Hirano K, Asano K, Tsuji H, Kawamura M, Mori H, Kitano H, Ueguchi-Tanaka M, Matsuoka M. Characterization of the molecular mechanism underlying gibberellin perception complex formation in rice., 2010, 22(8): 2680–2696.

[13] Fu X, Richards DE, Ait-Ali T, Hynes LW, Ougham H, Peng J, Harberd NP. Gibberellin-mediated proteasome- dependent degradation of the barley DELLA protein SLN1 repressor., 2002, 14(12): 3191–3200.

[14] Peng J, Carol P, Richards DE, King KE, Cowling RJ, Murphy GP, Harberd NP. Thegene defines a signaling pathway that negatively regulates gibberellin responses., 1997, 11(23): 3194– 3205.

[15] Li S, Tian YH, Wu K, Ye YF, Yu JP, Zhang JQ, Liu Q, Hu MY, Li H, Tong YP, Harberd NP, Fu XD. Modulating plant growth–metabolism coordination for sustainable agriculture., 2018, 560(7720): 595–600.

[16] Wu K, Wang SS, Song WZ, Zhang JQ, Wang Y, Liu Q, Yu JP, Ye YF, Li S, Chen JF, Zhao Y, Wang J, Wu XK, Wang MY, Zhang YJ, Liu BM, Wu YJ, Harberd NP, Fu XD. Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice., 2020, 367(6478): eaaz2046.

[17] Bergsdorf EY, Zdebik AA, Jentsch TJ. Residues important for nitrate/proton coupling in plant and mammalian CLC transporters.,2009, 284(17): 11184–11193.

[18] MacMillan J. Occurrence of gibberellins in vascular plants, fungi, and bacteria.2001, 20(4): 387–442.

[19] Léran S, Varala K, Boyer JC, Chiurazzi M, Crawford N, Daniel-Vedele F, David L, Dickstein R, Fernandez E, Forde B, Gassmann W, Geiger D, Gojon A, Gong JM, Halkier BA, Harris JM, Hedrich R, Limami AM, Rentsch D, Seo M, Tsay YF, Zhang MY, Coruzzi G, Lacombe B. A unified nomenclature of NITRATE TRANSPORTER 1/PEPTIDE TRANSPORTER family members in plants., 2014, 19(1): 5–9.

[20] Liu KH, Tsay YF. Switching between the two action modes of the dual-affinity nitrate transporter CHL1 by phosphorylation.. 2003, 22(5): 1005–1013.

[21] Léran S, Edel KH, Pervent M, Hashimoto K, Corratgé- Faillie C, Offenborn JN, Tillard P, Gojon A, Kudla J, Lacombe B. Nitrate sensing and uptake inare enhanced by ABI2, a phosphatase inactivated by the stress hormone abscisic acid., 2015, 8(375): ra43.

[22] Kiba T, Feria-Bourrellier AB, Lafouge F, Lezhneva L, Boutet-Mercey S, Orsel M, Bréhaut V, Miller A, Daniel-Vedele F, Sakakibara H, Krapp A. Thenitrate transporter NRT2.4 plays a double role in roots and shoots of nitrogen-starved plants., 2012, 24(1): 245–258.

[23] Kotur Z, Mackenzie N, Ramesh S, Tyerman SD, Kaiser BN, Glass ADM. Nitrate transport capacity of theNRT2 family members and their interactions with AtNAR2.1., 2012, 194(3): 724–731.

[24] Li YL, Fan XR, Shen QR. The relationship between rhizosphere nitrification and nitrogen-use efficiency in rice plants., 2008, 31(1): 73–85.

[25] Hu B, Wang W, Ou SJ, Tang JY, Li H, Che RH, Zhang ZH, Chai XY, Wang HR, Wang YQ, Liang CZ, Liu LC, Piao ZZ, Deng QY, Deng K, Xu C, Liang Y, Zhang LH, Li LG, Chu CC. Variation incontributes to nitrate-use divergence between rice subspecies., 2015, 47(7): 834–838.

[26] Zhang JY, Liu YX, Zhang N, Hu B, Jin T, Xu HR, Qin Y, Yan PX, Zhang XN, Guo XN, Hui J, Cao SY, Wang X, Wang C, Wang H, Qu BY, Fan GY, Yuan LX, Garrido-Oter R, Chu CC, Bai Y.is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice., 2019, 37(6): 676–684.

[27] Tang WJ, Ye J, Yao XM, Zhao PZ, Xuan W, Tian YL, Zhang YY, Xu S, An HZ, Chen GM, Yu J, Wu W, Ge YW, Liu XL, Li J, Zhang HZ, Zhao YQ, Yang B, Jiang XZ, Peng C, Zhou C, Terzaghi W, Wang CM, Wan JM. Genome-wide associated study identifies NAC42-activated nitrate transporter conferring high nitrogen use efficiency in rice., 2019, 10(1): 5279.

[28] Wang W, Hu B, Yuan DY, Liu YQ, Che RH, Hu YC, Ou SJ,Liu Y, Zhang ZH, Wang HR, Li H, Jiang ZM, Zhang ZL, Gao XK, Qiu YH, Meng XB, Liu YX, Bai Y, Liang Y, Wang YQ, Zhang LH, Li LG, Sodmergen, Jing HC, Li JY, Chu CC. Expression of the nitrate transporter geneconfers high yield and early maturation in rice., 2018,30(3): 638–651.

[29] Li YG, Ouyang J, Wang YY, Hu R, Xia KF, Duan J, Wang YQ, Tsay YF, Zhang MY. Disruption of the rice nitrate transporter OsNPF2.2 hinders root-to-shoot nitrate transport and vascular development., 2015, 5(1): 9635.

[30] Lin CM, Koh S, Stacey G, Yu SM, Lin TY, Tsay YF. Cloning and functional characterization of a constitutively expressed nitrate transporter gene,, from rice., 2000, 122(2): 379–388.

[31] Feng HM, Yan M, Fan XR, Li BZ, Shen QR, Miller AJ, Xu GH. Spatial expression and regulation of rice high-affinity nitrate transporters by nitrogen and carbon status., 2011, 62(7): 2319–2332.

[32] Liu XQ, Huang DM, Tao JY, Miller AJ, Fan XR, Xu GH. Identification and functional assay of the interaction motifs in the partner protein OsNAR2.1 of the two-component system for high-affinity nitrate transport., 2014, 204(1): 74–80.

[33] Fan XR, Tang Z, Tan YW, Zhang Y, Luo BB, Yang M, Lian XM, Shen QR, Miller AJ, Xu GH. Overexpression of a pH-sensitive nitrate transporter in rice increases crop yields., 2016, 113(26): 7118– 7123.

[34] Feng HM, Li B, Zhi Y, Chen JG, Li R, Xia XD, Xu GH, Fan XR. Overexpression of the nitrate transporter, OsNRT2.3b, improves rice phosphorus uptake and translocation., 2017, 36(8): 1287–1296.

[35] González-Ballester D, Camargo A, Fernández E. Ammonium transporter genes in Chlamydomonas: the nitrate-specific regulatory geneis involved inexpression., 2004, 56(6): 863–878.

[36] Sonoda Y, Ikeda A, Saiki S, von Wirén N, Yamaya T, Yamaguchi J. Distinct expression and function of three ammonium transporter genes () in rice., 2003, 44(7):726–734.

[37] Lejay L, Gansel X, Cerezo M, Tillard P, Müller C, Krapp A, von Wirén N, Daniel-Vedele F, Gojon A. Regulation of root ion transporters by photosynthesis: functional importance and relation with hexokinase., 2003,15(9): 2218–2232.

[38] Gazzarrini S, Lejay L, Gojon A, Ninnemann O, Frommer WB, von Wirén N. Three functional transporters for constitutive, diurnally regulated, and starvation-induced uptake of ammonium intoroots., 1999, 11(5): 937–948.

[39] Sohlenkamp C, Shelden M, Howitt S, Udvardi M. Characterization ofAtAMT2, a novel ammonium transporter in plants., 2000, 467(2–3): 273–278.

[40] Yuan LX, Loqué D, Kojima S, Rauch S,Ishiyama K, Inoue E, Takahashi H, von Wirén N. The organization of high-affinity ammonium uptake inroots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters., 2007, 19(8): 2636–2652.

[41] Li C, Tang Z, Wei J, Qu HY, Xie YJ, Xu GH. The OsAMT1.1 gene functions in ammonium uptake and ammonium-potassium homeostasis over low and high ammonium concentration ranges., 2016, 43(11): 639–649.

[42] Gaur VS, Singh US, Gupta AK, Kumar A. Understanding the differential nitrogen sensing mechanism in rice genotypes through expression analysis of high and low affinity ammonium transporter genes., 2012, 39(3): 2233–2241.

[43] Masclaux-Daubresse C, Daniel-Vedele F, Dechorgnat J, Chardon F, Gaufichon L, Suzuki A. Nitrogen uptake, assimilation and remobilization in plants: challenges for sustainable and productive agriculture., 2010, 105(7): 1141–1157.

[44] Bao A, Zhao ZQ, Ding GD, Shi L, Xu FS, Cai HM. Accumulated expression level of cytosolic glutamine synthetase 1 gene (or) alter plant development and the carbon-nitrogen metabolic status in rice., 2014, 9(4): e95581.

[45] Tabuchi M, Sugiyama K, Ishiyama K, Inoue E, Sato T, Takahashi H, Yamaya T. Severe reduction in growth rate and grain filling of rice mutants lacking OsGS1;1, a cytosolic glutamine synthetase1;1., 2005, 42(5): 641–651.

[46] Wallsgrove RM, Turner JC, Hall NP, Kendall AC, Bright SW. Barley mutants lacking chloroplast glutamine synthetase-biochemical and genetic analysis., 1987, 83(1): 155–158.

[47] Tamura W, Kojima S, Toyokawa A, Watanabe H, Tabuchi- Kobayashi M, Hayakawa T, Yamaya T. Disruption of a novel NADH-Glutamate synthase2 gene caused marked reduction in spikelet number of rice.,2011, 2: 57.

[48] Konishi M, Yanagisawa S.NIN-like trans-cription factors have a central role in nitrate signalling., 2013, 4:1617.

[49] Liu KH, Niu YJ, Konishi M, Wu Y, Du H, Sun Chung H, Li L, Boudsocq M, McCormack M, Maekawa S, Ishida T, Zhang C, Shokat K, Yanagisawa S, Sheen J. Discovery of nitrate-CPK-NLP signalling in central nutrient-growth networks., 2017, 545(7654): 311–316.

[50] Araus V, Vidal EA, Puelma T, Alamos S, Mieulet D, Guiderdoni E, Gutierrez RA. Members of BTB gene family of scaffold proteins suppress nitrate uptake and nitrogen use efficiency., 2016, 171(2): 1523–1532.

[51] Wu YF, Yang WZ, Wei JH, Yoon H, An G. Transcription factor OsDOF18 controls ammonium uptake by inducing ammonium transporters in rice roots., 2017, 40(3): 178–185.

[52] Yang J, Wang M, Li W, He X, Teng W, Ma W, Zhao X, Hu M, Li H, Zhang Y, Tong Y. Reducing expression of a nitrate-responsive bZIP transcription factor increases grain yield and N use in wheat., 2019, 17(9): 1823–1833.

[53] Gao YH, Xu ZP, Zhang LJ, Li SC, Wang SG, Yang HL, Liu XL, Zeng DL, Liu QQ, Qian Q, Zhang BC, Zhou YH. MYB61 is regulated by GRF4 and promotes nitrogen utilization and biomass production in rice., 2020, 11(1): 5219.

[54] Varala K, Marshallcolón A, Cirrone J, Brooks MD, Pasquino AV, Léran S, Mittal S, Rock TM, Edwards MB, Kim GJ, Ruffel S, Mccombie WR, Shasha D, Coruzzi GM. Temporal transcriptional logic of dynamic regulatory networks underlying nitrogen signaling and use in plants., 2018, 115(25): 6494–6499.

[55] Gaudinier A, Rodriguez-Medina J, Zhang L, Olson A, Liseron-Monfils C, B?gman AM, Foret J, Abbitt S, Tang M, Li B, Runcie DE, Kliebenstein DJ, Shen B, Frank MJ, Ware D, Brady SM. Transcriptional regulation of nitrogen-associated metabolism and growth., 2018, 563(7730): 259–264.

[56] Ha M, Kim VN. Regulation of microRNA biogenesis., 2014, 15(8): 509–524.

[57] Gifford ML, Dean A, Gutierrez RA, Coruzzi GM, Birnbaum KD. Cell-specific nitrogen responses mediate developmental plasticity., 2008, 105(2): 803–808.

[58] Vidal EA, Araus V, Lu C, Parry G, Green PJ, Coruzzi GM, Gutiérrez RA. Nitrate-responsive miR393/regulatory module controls root system architecture in.,2010, 107(9): 4477– 4482.

[59] Pant BD, Musialak-Lange M, Nuc P, May P, Buhtz A, Kehr J, Walther D, Scheible WR. Identification of nutrient-responsiveand rapeseed microRNAs by comprehensive real-time polymerase chain reaction profiling and small RNA sequencing., 2009, 150(3): 1541–1555.

[60] Yan YS, Wang HC, Hamera S, Chen XY, Fang RX.miR444a has multiple functions in the rice nitrate- signaling pathway., 2014, 78(1): 44–55.

[61] Lin WY, Lin YY, Chiang SF, Syu C, Hsieh LC, Chiou TJ.Evolution of microRNA827 targeting in the plant kingdom., 2018, 217(4): 1712–1725.

[62] Fukaki H, Tasaka M. Hormone interactions during lateral root formation., 2009, 69(4): 437–449.

[63] Zhang X, Cui YN, Yu M, Su BD, Gong W, Balu?ka F, Komis G, ?amaj J, Shan XY, Lin JX. Phosphorylation- mediated dynamics of nitrate transceptor NRT1.1 regulate auxin flux and nitrate signaling in lateral root growth., 2019, 181(2): 480–498.

[64] Ma WY, Li JJ, Qu BY, He X, Zhao XQ, Li B, Fu XD, Tong YP. Auxin biosynthetic geneis involved in low nitrogen-mediated reprogramming of root architecture in., 2014, 78(1): 70–79.

[65] Zhang SY, Zhu LM, Shen CB, Ji Z, Zhang HP, Zhang T, Li Y, Yu JP, Yang N, He YB, Tian YN, Wu K, Wu JY, Harberd NP, Zhao YD, Fu XD, Wang SK, Li S. Natural allelic variation in a modulator of auxin homeostasis improves grain yield and nitrogen use efficiency in rice., 2021, 33(3): 566–580.

[66] Signora L, De Smet I, Foyer CH, Zhang H. ABA plays a central role in mediating the regulatory effects of nitrate on root branching in., 2001, 28(6): 655–662.

[67] Liu YQ, Wang HR, Jiang ZM, Wang W, Xu RN, Wang QH, Zhang ZH, Li AF, Liang Y, Ou SJ, Liu XJ, Cao SY, Tong HN, Wang YH, Zhou F, Liao H, Hu B, Chu CC. Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice.. 2021, 590(7847): 600–605.

[68] Wu XY, Ding CH, Baerson SR, Lian FZ, Lin XH, Zhang L Q, Wu CF, Hwang SY, Zeng R, Song YY. The roles of jasmonate (JA) signaling in nitrogen uptake and allocation in rice (L.)., 2019, 42(2): 659–672.

[69] Moll RH, Kamprath EJ, Jackson WA. Analysis and interpretation of factors which contribute to efficiency of nitrogen utilization., 1982, 74(3): 562–564.

[70] Sasakawa H, Yamamoto Y. Comparison of the uptake of nitrate and ammonium by rice seedlings influences of light, temperature, oxygen concentration, exogenous sucrose, and metabolic inhibitors., 1978, 62(4): 665–669.

[71] Gao ZY, Wang YF, Chen G, Zhang AP, Yang SL, Shang LG, Wang DY, Ruan BP, Liu CL, Jiang HZ, Dong GJ, Zhu L, Hu J, Zhang GH, Zeng DL, Guo LB, Xu GH, Teng S, Harberd NP, Qian Q.The indica nitrate reductase geneallele enhances rice yield potential and nitrogen use efficiency., 2019, 10(1): 5207.

[72] Chen JG, Zhang Y, Tan YW, Zhang M, Zhu LL, Xu GH, Fan XR. Agronomic nitrogen-use efficiency of rice can be increased by drivingexpression with the OsNAR2.1 promoter., 2016, 14(8): 1705–1715.

[73] Fang ZM, Xia KF, Yang X, Grotemeyer MS, Meier S, Rentsch D, Xu XL, Zhang MY. Altered expression of the PTR/NRT1 homologue OsPTR9 affects nitrogen utilization efficiency, growth and grain yield in rice., 2013, 11(4): 446–458.

[74] Fang ZM, Bai GX, Huang WT, Wang ZX, Wang XL, Zhang MY. The rice peptide transporter OsNPF7.3 is induced by organic nitrogen, and contributes to nitrogen allocation and grain yield., 2017, 8:1338.

[75] Huang WT, Bai GX, Wang J, Zhu W, Zeng QS, Lu K, Sun SY, Fang ZM. Two Splicing Variants of OsNPF7.7 Regulate shoot branching and nitrogen utilization efficiency in rice., 2018, 9:300.

[76] Yu J, Xuan W, Tian YL, Fan L, Sun J, Tang WJ, Chen GM, Wang BX, Liu Y, Wu W, Liu XL, Jiang XZ, Zhou C, Dai ZY, Xu DY, Wang CM, Wan JM. Enhanced OsNLP4- OsNiR cascade confers nitrogen use efficiency by promoting tiller number in rice., 2021, 19(1): 167–176.

[77] Chen KE, Chen HY, Tseng CS, Tsay YF. Improving nitrogen use efficiency by manipulating nitrate remobilization in plants., 2020, (9): 1126–1135.

[78] Ranathunge K, El-Kereamy A, Gidda S, Bi YM, Rothstein SJ.transgenic rice plants with enhanced NH4+permeability show superior growth and higher yield under optimal and suboptimal NH4+conditions., 2014, 65(4): 965–979.

[79] Brauer EK, Rochon A, Bi YM, Bozzo GG, Rothstein SJ, Shelp BJ. Reappraisal of nitrogen use efficiency in rice overexpressing glutamine synthetase1., 2011, 141(4): 361–372.

[80] Sun HY, Qian Q, Wu K, Luo JJ, Wang SS, Zhang CW, Ma YF, Liu Q, Huang XZ, Yuan QB, Han RX, Zhao M, Dong GJ, Guo LB, Zhu XD, Gou ZH, Wang W, Wu YJ, Lin HX, Fu XD. Heterotrimeric G proteins regulate nitrogen-use efficiency in rice., 2014, 46(6): 652–656.

[81] Wang Q, Nian JQ, Xie XZ, Yu H, Zhang J, Bai JT, Dong GJ, Hu J, Bai B, Chen LC, Xie QJ, Feng J, Yang XL, Peng JL, Chen F, Qian Q, Li JY, Zuo JR. Genetic variations inmediate grain yield by modulating nitrogen utilization in rice., 2018, 9(1): 735.

Genetic improvement of nitrogen use efficiency in crops

Shan Li1, Yunzhi Huang1, Xueying Liu2, Xiangdong Fu2,3

Nitrogen (N) is an essential mineral nutrient for plant growth and development. N deficiency is the major factor limiting plant growth and crop production in most natural and agricultural soils. The green revolution of the 1960’s boosted crop yields through cultivation of semi-dwarf plant varieties. However, green revolution wheat and rice varieties have relatively poor nitrogen use efficiency (NUE), require a high N fertilizer supply to achieve maximum yield potential, and this leads to an increase in production costs and environmental problem. Therefore, a major challenge for sustainable agriculture is whether improvement of NUE through the reduction of N fertilizer supply can be achieved without yield penalty. In this review, we summarize the recent advances in understanding of molecular mechanisms underlying the regulation of N-responsive plant growth, utilization and possibility for improvements of NUE in crops, and new breeding strategies through modulation of N-responsive growth-metabolism coordination for future sustainable agriculture.

rice; green revolution; nitrogen use efficiency; sustainable agriculture

李姍，2012—2018年就讀于中國科學院遺傳與發育生物學研究所，在傅向東課題組攻讀博士學位，目前任南京農業大學農學院教授，研究方向：不同植物激素互作調控水稻氮肥利用效率的分子機制。博士期間，主要研究了赤霉素信號轉導途徑調控水稻氮肥高效利用的分子機制，揭示了半矮稈基因導致作物氮肥利用效率降低的原因，闡明了DELLA-OsGRF4模塊調控氮肥利用效率的分子機制，為提高“綠色革命”半矮稈品種氮肥利用效率提供了新策略。博士論文《提高水稻產量和氮肥利用效率的分子機制研究》獲得2020年中國科學院優秀博士生論文。

2021-02-18;

2021-04-02

國家自然科學基金項目(編號：31830082, 91935301)和江蘇省自然科學基金項目(編號：BK20200540)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 31830082, 91935301) and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No. BK20200540)]

李姍，博士，教授，研究方向：植物激素調控水稻養分高效利用。E-mail: shanli@njau.edu.cn

黃允智，在讀博士研究生，研究方向：植物激素調控水稻養分高效利用。E-mail: 2020201051@stu.njau.edu.cn

李姍和黃允智并列第一作者。

傅向東，研究員，博士生導師，研究方向：植物發育和環境適應的激素調控機理。E-mail: xdfu@genetics.ac.cn

10.16288/j.yczz.21-064

2021/4/26 15:01:23

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210425.1639.002.html

(責任編委: 儲成才)