高氮和低氮施肥条件下不同水稻品种在生育期的差异          南京农大供图

 调控水稻开花时间及氮素利用效率的协同途径    南京农大供图

开花时间早晚是衡量作物生育期的关键指标之一，是氮肥及多种环境因素共同作用的结果，对作物产量和品质形成起着至关重要的作用。

至今为止，氮素调控植物开花的分子遗传机制所知甚少。

12月5日，南京农业大学教授徐国华课题组在《当代生物学》发表了最新研究论文。该研究发现，氮素对水稻抽穗开花的影响十分复杂，是谷氨酰胺（Gln）、而不是无机铵（NH₄⁺）直接诱导水稻开花，氮素过少和过多均会抑制开花。

氮肥多一定会贪青晚熟？

论文通讯作者徐国华告诉《中国科学报》，氮肥是农作物高产优质的重要保障，但是氮肥的大量生产和施用不仅增加能源消耗和生产成本，加剧土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放等资源生态环境问题，而且导致作物开花延迟、贪青晚熟、病虫害增加、产量降低、氮肥利用效率下降。

“因此，探究氮素调控开花的网络通路对于明晰植物营养与环境的相互作用机制，培育花期适宜、高产、稳产、氮吸收高效的品种，均具有十分重要的理论和应用价值。”徐国华说。

植物的生长可以大致分为营养生长阶段和生殖生长阶段。开花就是植物体从营养生长阶段转入生殖生长阶段的标志性行为。开花之后，植物对氮的吸收量大大下降。

“生产中有一种为人所熟知的现象，就是多施氮肥会造成植物贪青晚熟。”徐国华解释说，很多植物都会在氮肥增加的情况下，保持绿油油的状态，营养生长旺盛，却迟迟不开花不结果。

中国农业大学资源与环境学院教授袁力行在接受《中国科学报》采访时说，贪青晚熟是农作物生产中的一种普遍现象。过量施氮情况下，作物的生育期延长，其产量和品质均会受到不良影响，但背后的机制一直不为人所了解。

为了深入研究这一现象，徐国华带领团队对800多个水稻种质材料或品种进行了分析对比实验。结果发现，高氮肥条件下贪青晚熟的材料近60%；高氮肥条件下依旧提前开花的占10%~20%；还有20%~30%的水稻材料不为高氮肥所动，按时开花。

论文第一作者、博士生张抒南告诉《中国科学报》，不同的水稻品种对氮素的响应是不同的。有的水稻随着供氮增多而开花延迟，有的水稻品种在不同氮水平下开花时间接近，有的水稻无论氮太多或太少都抑制开花。

“原来高氮肥造成贪青晚熟只是一个主要现象，而不是全部。这不像我们想象的那么简单，植物的先天适应能力还是很复杂的。”徐国华说。

“聪明”的水稻

“聪明”的植物究竟如何适应土壤中氮含量的变化，保持内部的生理平衡？

硝（NO₃^-）和铵（NH₄⁺）是植物从土壤中吸收的最为主要的两种氮源。旱地土壤强力的硝化作用促使绝大多数植物，如拟南芥，主要依赖于硝；而淹水或强酸性土壤环境中生长的植物，如水稻，则主要吸收铵。

“植物吸收无机氮到体内后，最终转化成蛋白质。”徐国华说，氮从无机变有机最重要的第一步产生的就是谷氨酰胺这种氨基酸，“这是一种非常重要的初级产物”。在谷氨酰胺基础上，继续转化成其他氨基酸和蛋白质。

“从无机氮变成有机氮的过程叫做氮的同化。”张抒南说，氮同化基因参与了该过程关键酶的合成。

谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶就是相应的氮同化基因合成的，这些酶催化了无机氮和有机氮之间的转换，例如无机的铵态氮通过氮的同化作用合成谷氨酰胺。

“谷氨酰胺正是无机氮和有机氮之间的中枢因子之一。”张抒南说。

不仅如此，他们的研究还证明，是谷氨酰胺，而并非环境中存在的无机铵态氮，直接诱导植物开花。

“我们在日本晴这个水稻品种中发现，开花和施氮水平、植株体内总氮含量没有直接的相关性，并不是施的氮肥越多，开花越晚。因此推测是否体内某种氮形态的含量与开花相关，于是我们检测了不同氮形态下开花基因的表达。”张抒南说。

结果表明，开花基因的表达与谷氨酰胺呈正相关，相比无机铵，谷氨酰胺对开花有直接促进作用。

“水稻通过对氮的初级产物谷氨酰胺的直接响应来调控开花过程，这样就摆脱了环境中无机氮的直接作用，避免了完全受制于环境。”徐国华认为这就是水稻“聪明”的地方。

水稻首个氮介导开花因子登场

那么，谷氨酰胺究竟和谁“接头”，继而调控下游的分子机制影响水稻开花呢？

通过对水稻花器官形成部位的转录组分析，结合遗传分析，他们鉴定到一个受谷氨酰胺影响并能调控开花时间的转录因子，并将其命名为“首个氮素介导的抽穗开花因子”（Nhd1）。

张抒南介绍，他们发现，Nhd1对开花和氮吸收存在着两种调控。

一方面，Nhd1通过正向调控，直接激活开花基因Hd3a，从而影响水稻的开花时间。无论是缺失Nhd1还是Hd3a，在不同日照条件下，水稻开花时间均往后推迟。

与此同时，Nhd1通过负向调控，抑制氮素同化基因Fd-GOGAT，降低其酶的活性和谷氨酰胺的变化。因此，缺失Nhd1还会增强氮的同化效率，提高作物产量和氮素累积利用效率。

“Nhd1就好像一个‘司令’，统帅着很多‘士兵’，一部分‘士兵’管理开花时间，一部分‘士兵’控制氮营养利用。两项工作通过一个‘司令’很好地协同起来。”袁力行说。

张抒南说，他们筛选到了Nhd1的不同自然变异的品种材料，其中一类在高氮和低氮环境下开花差异明显，且Nhd1在高氮和低氮环境下的表达差异也比较大。

“由于这类材料的自然变异都发生在Nhd1的启动子上，因此我们推测，这些启动子变异可能导致了水稻开花对氮的响应不同。”张抒南说。

不过，徐国华指出，已经知道启动子序列上哪些个别碱基发生了变化。但现在还不知道是哪些上游的转录调控因子与这些不一致处的小片段多个碱基相结合，从而导致在不同水稻品种或种质材料中，Nhd1表达的不一致，即氮素响应差异，需要进一步开展研究。

此外，科学家在拟南芥中也发现了类似的贪青晚熟现象。但拟南芥等旱地植物是以硝态氮营养为主，究竟氮影响开花响应的分子机制是什么，尚不知晓。

袁力行认为，对水稻相关机制的解析也将有助于科学家研究玉米、小麦等旱地作物在氮肥影响下的开花响应机制，因而“从高效品种的选育，到施肥技术的创新，都有重要指导意义” 。

“上述途径的解析不仅为构建氮素调控水稻等植物开花的网络通路奠定了重要基础，同时也为培育生育期稳定的高产稳产、氮高效品种提供了理论依据。”徐国华说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.10.095