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[转载]遗传发育所储老师实验室刘永强博士Nature文章:揭示水稻适应土壤低氮的分子基础

已有 907 次阅读 2021-1-7 14:37 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

刘永强博士Nature文章:揭示水稻适应土壤低氮的分子基础 精选

已有 1883 次阅读 2021-1-7 00:00 |个人分类:个人随笔|系统分类:科研笔记

2021年1月7日00:00《nature》杂志以article形式发表了题为Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice”的我们团队最新研究成果 (doi: 10.1038/s41586-020-03091-w)。

全球粮食产量自上世纪60年代初起持续增加,据联合国粮农组织统计,截至2018年末,以小麦、水稻、玉米计的全球粮食年总产量达26.6亿吨,是1961年的3.6倍,为全球范围粮食安全提供了基本保障。在全球耕地面积仅增加15.5%的条件下,粮食不断增产的主要推动力是化肥的大量施用,其中绝大部分是氮肥。化肥在大幅度提升农作物产量的同时,增加了人们对它的依赖性,甚至过度重视。2018年,全球化肥用量达2亿吨,而我国年化肥用量超过全世界化肥总消耗量的33%,氮肥利用效率只有30%左右,不到西方发达国家的一半。化肥的过量施用,不仅对空气、土壤和水体造成污染,也给农业可持续发展带来了巨大的环境压力。

面对人口的爆炸式增长,长期以来育种的首要目标是高产,推动水稻第一次绿色革命的矮秆育种,使之能在大量施用化肥情况下,植株不会过高而造成倒伏,从而在高肥下获得较高产量。然而,长期高肥下的育种导致一些重要基因资源的丢失,以致主栽水稻品种肥料利用效率普遍较低。

为解决这一问题,中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组对过去100年间收集于全球不同地理区域52个国家(地区)的110份早期水稻农家种进行了全面的农艺性状鉴定,发现不同氮肥条件下,在众多农艺性状中,水稻分蘖(分枝)氮响应能力与氮肥利用效率变异间存在高度关联。研究组利用全基因组关联分析技术鉴定到一个水稻氮高效基因OsTCP19,其作为转录因子调控水稻分蘖。

进一步研究发现,OsTCP19上游调控区一小段核酸片段(29-bp)的缺失与否是不同水稻品种分蘖氮响应差异的主要原因。氮高效品种OsTCP19调控区缺失该29-bp核酸序列,氮响应负调控因子LBD蛋白可以高效结合在该位点附近并抑制OsTCP19转录表达。通过多重转录组学分析,OsTCP19作为转录因子抑制分蘖促进基因DLT的表达,进而实现对水稻分蘖发育的调控。这项研究成果揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础。

这一关键氮高效基因的鉴定依赖于一个多样性的农家种水稻群体资源。这些农家种是在现代高产水稻品种推广之前,也就是氮肥大量施用之前,世界各地农家种植的本地品种。世界各地气候土质的巨大差异造就了农家品种丰富的遗传多样性。研究人员通过对水稻种子库中这些古早的水稻品种进行基因遗传分析,最终定位了基因组上这一关键变异。有意思的是,通过对世界水稻种植区土壤氮含量数据分析,研究团队发现,土壤越贫瘠的地方,OsTCP19氮高效变异越常见,并随着土壤氮含量的增加,氮高效类型品种逐步减少,而我国现代水稻品种中这一氮高效变异几乎全部丢失。将这一氮高效变异重新引入现代水稻品种,在氮素减少的条件下,水稻氮肥利用效率可提高20-30%,也就是说,在水稻生产中,使用更少的化肥,也能达到相同的产量。

除了氮肥施用所带来的环境影响,氮肥生产本身也是高能耗、高污染行业。统计表明,生产1吨氮肥需2.8吨优质煤及1600度电能,造成2.5 吨碳排放。我国争取在2060年前实现碳中和,而农业领域的节能减排,特别是减少化肥的施用至关重要。本项成果为实现这一宏伟目标提供了一个全新的思路。

刘永强博士和汪鸿儒博士为论文的共同第一作者,胡斌青年研究员和储成才研究员为共同通讯作者。论文得到中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金、科技部G2P基础研究项目和广东省基础研究重大专项的资助。


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 a-d, OsTCP19-H在低氮和中氮下可显著提高水稻产量; a, OsTCP19-H基因型频率与土壤含氮量呈显著负相关。亚洲不同水稻种植区域土壤含氮量和OsTCP19基因型频率地理分布信息。蓝色和红色图块表示土壤总氮含量(g/kg),黄色和绿色柱形图表示OsTCP19-LOsTCP19-H基因型频率。6个虚线框分别表示japonica (n = 874)indica I (n = 205)indica II (n = 217)indica III (n = 891)aromatic (n = 81)aus (n = 201)地理分布范围。副图表示土壤含氮量和OsTCP19-H频率呈显著负相关。OsTCP19-H频率由1764份籼稻品种以国家为单位计算得到,土壤含氮量收集于相应国家的水稻种植区域。b,越光和含OsTCP19-H基因型近等基因系的田间表现。标尺为24 cmc-d,越光和近等基因系在低氮和中氮大田条件下的产量和氮肥利用效率。不同字母表示显著性差异(P < 0.05, one-way ANOVA, Tukey’s HSD test)


专家点评:

新时代的粮食安全既要保障不断增长的粮食总需求,同时也要确保粮食生产的资源与环境的可持续。长期以来,我国粮食作物生产以农药化肥的高投入以实现高产,造成了资源环境的严重负担。为改变这一状况,我国农业科学家提出要实现农业的第二次绿色革命,做到“少投入、多产出、保护环境“。为实现这一目标,水稻科学家提出了”绿色超级稻“的理念,即培育和推广“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”的绿色品种和绿色技术,使农业绿色发展。储成才团队这项出色的研究进一步解析了水稻氮肥利用效率的分子机制,为培育绿色超级稻提供了新基因,有望在实现提高产量的同时减少化肥的施用。

——张启发 院士(华中农业大学作物遗传改良育种国家重点实验室)

 

         该项研究兼具重要的理论意义与应用价值。研究结果从遗传学角度解析了水稻适应不同地理区域土壤肥力的分子机制, 并揭示了一个新的OsLBD-OsTCP19-OsDLT信号通路在氮素调控水稻分蘖中的功能, 为水稻氮素高效分子育种提供了理论支持。同时, 研究发现的OsTCP19优异单倍体型也可用于提高水稻在较低氮素供应水平下的NUE和产量, 为水稻氮高效育种提供了新的遗传资源。

——徐国华 教授(南京农业大学资源与环境系)


    该研究是近年来作物氮肥利用效率分子机制解析的重大突破。OsTCP19等位基因多样性与水稻地理分布有关这一发现证明,OsTCP19-H在培育氮高效品种上具有重要应用前景。当今农业生产正面临着实现绿色可持续发展的重大挑战,水稻生产必须在不减产的前提下减肥,特别是减少氮肥的投入。该成果不仅加深了我们对水稻品种氮肥利用效率的遗传调控网络的理解,同时又证明了可以通过品种选育来克服土壤肥力下降这一逆境胁迫对产量的影响,使水稻产量潜力维持在较高水平,对水稻绿色生产方式的实现具有重大理论和实践意义。

——彭少兵 教授(华中农业大学植物科学技术学院)

 

“这项工作是真正的开创性工作(This is truly ground-breaking work)”“不仅对理解植物(水稻)的调控机制有重要意义,也对减少化肥使用具有巨大的意义(the work will have implications not only for basic understanding of how plants/rice works, but also enormous implications for reducing fertiliser use)。”

——Dale Sanders教授 (英国约翰英纳斯研究所(JIC)所长)

 

“这项发现本身非常令人兴奋,而且作者证明了OsTCP19等位基因多样性与水稻地理分布相关,使得这项工作更具吸引力(Whilst these findings in themselves were highly exciting the fact that the authors were able to demonstrate that OsTCP19 allelic diversity was associated with rice geographic distribution rendered the work fascinating)”“这一出色研究告诉我们,通过重新追溯我们的育种历史,并理解现代集约化农业的适应性改良,可以找到一种减少化肥投入但不牺牲粮食产量的解决方案(As such this fantastic study highlights how retracing our steps and understanding adaptation to the intensive agriculture that characterizes modern agriculture may represent one solution towards minimizing agricultural inputs without compromising yield security or even – as this example proves- enhancing yields)”。

——Alisdair Fernie教授 (德国马普分子植物生理所)

 

我从一开始就被这项研究成果深深地吸引,不仅是因为其揭示了一个新的氮调控模块,更重要的是,该研究还发现了氮高效等位基因与土壤低氮含量相关。这使得这一结果具有多方面的重要意义,也显示出深度挖掘优异遗传变异对种质改良的巨大潜力(I am really fascinated by your story and liked it from the beginning, not only because of the uncovered regulatory module but also due to the association of the OsTCP19-H allele with low soil N. Actually, this makes a lot of sense and shows the potential of digging out such genetic variation for improving germplasm)。

——Nicolaus von Wiren教授(德国植物遗传与作物育种研究所)

 

总是很高兴看到这样一个对关键的农艺和生态性状如此全面和引人入胜的故事。这是一个集分子生物学和细胞生物学、进化生物学、生态学和有机生物学、遗传学和育种、土壤和栽培、遗传多样性和GWAS以及精准解析分子机制的完美范例(Always great to see such a comprehensive and fascinating story on critical agronomic and ecological traits.  This is a perfect example of multiple syntheses of molecular and cellular biology, and evolutionary, ecological, and organismal biology; genetics and breeding, and soil and agronomic practice; genetic diversity and GWAS, and targeted molecular characterization.

——Jianming Yu 教授(美国Iowa State University


        储成才团队现向海内外公开招聘博士后, 优秀博后出站可转为正式研究人员。
        研究组以水稻为材料, 重点解析水稻营养高效吸收利用的分子基础。实验室倡导 “快乐科学 (Happy Science)”理念, 以兴趣为导向, 将基础理论研究和应用实践相结合, 欢迎优秀青年学者加入团队。      

        我们的理念 “building a stage for each dreamer!” 

        你带着梦想而来,我们亦师亦友,携手前行,在你离开的时候,人们会发现一个全新的你!
        让我们带着梦想一起走向未来!

  实验室在包括 NatureNature Genetics (2), Nature Biotechnology, Nature Plants (6), Nature Communications (1)Molecular Plant (7)Genome ResearchPNAS (4), Plant Cell (6)  等刊物发表通讯或共同通讯论文 90 多篇, 其中 2篇入选热点论文,17 篇入选ESI高被引论文,连续入选Clarivate Analytics(科睿唯安)2019、2020年度“全球高被引科学家”; 多次应邀在 Nature PlantsTrends in Plant ScienceCurrent Opinion in Plant BiologyMolecular PlantNew PhytologistJournal of  Experimental BotanyTheoretical and Applied Genetics 等主流杂志撰写综述、趋势和评论; 申请专利 40 多项, 其中国际专利 8 项, 与育种单位合作培育水稻新品种 5 个, 其中3个2019年被认定为国家首批“绿色超级稻”(全国共41个), 秀水114和秀水134累积推广面积1200多万亩。实验室"本土培养(无出国研究经历)" 2 位同学入选国家基金委优秀青年。

      实验室研究工作详情请访问实验室网站(http://chulab.genetics.ac.cn/)。
      阅读实验室发表文章全文请访问 ResearchGate-Chengcai Chu
  
一、应聘条件
  1、热爱科研, 具有高度责任心和团队精神, 勇于探索, 敢于创新。
  2、具有农学、遗传学、分子生物学、生物信息学或相关学科博士学位, 有生物信息学分析、植物营养相关领域研究经验者优先考虑。
  3、具有很强的科研能力, 能够独立完成相关研究课题。
  4、具有较好的英语听说能力, 能熟练阅读专业文献, 并具有较强的中英文写作能力, 在国际期刊以主要作者身份发表过研究论文者优先考虑。
  
二、材料投递
  有意者请将申请材料(博士后工作申请表、简历、研究工作经历、发表论文情况及代表性论文PDF、2-3位推荐人的姓名及电话号码)发至: ccchu@genetics.ac.cn。我们将对申请者进行资格审查, 并与初审合格者进行联系, 资格审查未通过者, 不再另行告知。招聘启事长期有效, 实验室对优秀人才永远敞开大门!
  
三、薪酬福利
  具体工资依据聘用人员背景双方协商, 优秀者待遇从优, 并据工作成绩动态调整。
       

        优秀的团队决定未来, 你的选择......

实验室发表的营养方面代表性研究论文(*Corresponding authors)

1. Liu Y#, Wang H#, Jiang Z, Wang W, Xu R, Wang Q, Zhang Z, Li A, Liang Y, Ou S, Liu X, Cao S, Tong H, Wang Y, Zhou F, Liao H, Hu B*, and Chu C* (2021) Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in riceNature doi: 10.1038/s41586-020-03091-w.

2. Zhang Z^, Li Z^, Wang W, Jiang Z, Guo L, Wang X, Qiang Y, Huang X, Liu Y, Liu X, Qiu Y, Li A, Yan Y, Xie J, Cao S, Kopriva S, Li L, Kong F, Liu B, Wang Y, Hu B*, Chu C*. (2020) Modulation of nitrate-induced phosphate response by RLI1/HINGE1 in nucleusMol. Plant DOI: 10.1016/j.molp.2020.12.005. 

3. Fang J^*, Zhang F^, Wang H, Wang W, Zhao F, Li Z, Sun C, Chen F, Xu F, Chang S, Wu L, Bu Q, Wang P, Xie J, Chen F, Huang X, Zhang Y, Zhu X, Han B, Deng X*, and Chu C* (2019) Ef-cd locus shortens rice maturity duration without yield penalty. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116(37): 18717-18722.

Highlighted in in this issue (2019) Rice maturity time and yieldProc. Natl. Acad. Sci. USA 116(37): 18149-18151.

Spotlighted by Yang Y and Qian Q (2019) Rice breeding: A long noncoding locus with great potential. Mol. Plant 12(11): 1431-1433.

Featured by Zhang S and Wu C (2019) Long non-coding RNA Ef-cd regulates rice early maturation and stable yieldChin. Bull. Bot. 54(5): 550-553.

4. Zhang J^, Liu Y-X^, Zhang N^, Hu B^, Jin T^, Xu H, Qin Y, Yan P, Zhang X, Guo X, Hui J, Cao S, Wang X, Wang C, Wang H, Qu B, Fan G, Yuan L, Garrido-Oter R, Chu C*, and Bai Y* (2019) NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice. Nat. Biotechnol. 37: 676-684. [高被引论文][热点论文]

Cover story.

Featured by Wang X and Wang E (2019) NRT1.1B connects root microbiota and nitrogen use in rice. Chin. Bull. Bot. 54(3): 285-287.

5. Hu B^*, Jiang Z^, Wang W^, Qiu Y^, Zhang Z, Liu Y, Gao X, Liu L, Qian Y, Huang X, Yu F, Li A, Kang S, Wang Y, Xie J, Cao S, Zhang L, Wang Y, Xie Q, Kopriva S, and Chu C* (2019) Nitrate-NRT1.1B-SPX4 cascade integrates nitrogen and phosphorus signaling networks in plants. Nat. Plants 5: 401–413. [高被引论文][热点论文]

Featured by Carrión C Paz-Ares J (2019) When nitrate and phosphate sensors meet. Nat. Plants 5: 339–340.

Recommended by F1000Prime twice. Doi: 10.3410/f.735399180.793560575 and Doi: 10.3410/f.735399180.793560581.

6. Wang W^, Hu B^, Yuan D, Liu Y, Che R, Hu Y, Ou S, Zhang Z, Wang H, Li H, Jiang Z, Zhang Z, Gao X, Qiu Y, Meng X, Liu Y, Bai Y, Liang Y, Wang Y, Zhang L, Li L, Mergen S, Jing H, Li J, and Chu C* (2018) Expression of the nitrate transporter OsNRT1.1A/OsNPF6.3 confers high yield and early maturation in rice. Plant Cell  30(3): 638-651. [高被引论文]

Featured by Mach J (2018) The Real Yield Deal? Nitrate Transporter Expression Boosts Yield and Accelerates MaturationPlant Cell 30(3): 520-521.

Highlighted in Science Daily on February 23, 2018 by Mach J: New approach to improve nitrogen use, enhance yield, and promote flowering in rice.

Recommended by F1000Prime Doi: 10.3410/f.732773314.793543251.

7. Wang H, Xu X, Vieira FG, Xiao Y, Li Z, Wang J, Nielsen R*, and Chu C* (2016) The power of inbreeding: NGS based GWAS of rice reveals convergent evolution during rice domestication. Mol. Plant 9(7):975-985 

Cover Story. 

Featured by Huang X (2016) From genetic mapping to molecular breeding: Genomics have paved the highwayMol. Plant 9(7): 959-960.

8. Che R, Tong H, Shi B, Liu Y, Fang S, Liu D, Xiao Y, Hu B, Liu L, Wang H, Zhao M*, Chu C* (2016) Control of grain size and rice yield by GL2-mediated brassinosteroid responses. Nat. Plants 2: 15195. [高被引论文]

Featured by Tsukaya H (2016) Yield increase: GRFs provide the key. Nat. Plants 2: 15210.

9. Hu B, Wang W, Ou S, Tang J, Li H, Che R, Zhang Z, Chai X, Wang H, Wang Y, Liang C, Liu L, Piao Z, Deng Q, Deng K, Xu C, Liang Y, Zhang L, Li L, Chu C* (2015) Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergence between rice subspecies. Nat. Genet. 47(7): 834-838. 

Featured by Chao DY & Lin HX (2015) Nitrogen-use efficiency: Transport solution in rice variationsNat. Plants 1: 15096.

Highlighted by Chen ZC & Ma JF (2015) Improving nitrogen use efficiency in rice through enhancing root nitrate uptake mediated by a nitrate transporter, NRT1.1B. J. Genet. Genomics. 42(9): 463-465.

Highlighted by Duan D & Zhang H (2015) A single SNP in NRT1.1B has a major impact on nitrogen use efficiency in rice. Sci. China Life Sci. 58(8): 827-828.

Recommended by F1000 Prime. Doi: 10.3410/f.725540326.793508312.

10. Liang C#, Wang Y#, Zhu Y, Tang J, Hu B, Liu L, Ou S, Wu H, Sun X, Chu J, and Chu C* (2014) OsNAP connects abscisic acid and leaf senescence by fine tuning abscisic acid biosynthesis and directly targeting senescence-associated genes in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 111(27): 10013-10018. [高被引论文]

Selected for F1000 Prime. doi: 10.3410/f.718460121.793520007.



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