导读
2018年8月16日，《自然》杂志在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东课题组关于GA信号传导途径调控植物生长-代谢协调的最新研究进展，Modulating plant growth–metabolism coordination for sustainable agriculture。该项成果深入探究了植物生长与代谢协同调控机制，从而为实现未来可持续粮食安全和新的绿色革命提供了新的育种策略。 

基本信息
题目：Modulating plant growth–metabolism coordination for sustainable agriculture
期刊：Nature
影响因子：41.577
合作技术：SLR1蛋白表达及抗体定制


研究背景

20世纪60年代掀起的“绿色革命” 培育和推广了一批半矮秆、抗倒伏的高产水稻、小麦等新品种[1]。小麦中的生长抑制基因Rht（Reduced height）与水稻中的生长抑制基因sd1（semi-dwarf1）均可介导作物半矮化表型[2 3]。但是通过提高绿色革命品种谷物的生产率来加强全球粮食安全，会面临着增加无机氮肥而产生附带环境危害的风险，因此提高谷物的氮肥利用率势在必行[4]。然而，这需要对植物的整合生长、氮素同化以及碳素固定的共同调节机制具有非常深入的理解。


研究结果

1. “绿色革命”基因SD1的突变形式sd1导致了水稻中GA合成途径中一个重要的合成酶，GA20氧化酶2 (GA20ox2)的翻译提前终止，降低了水稻内源活性GA含量，最终导致DELLA蛋白积累，进而导致水稻株高降低，但是，这种抑制作用可以被GA解除[5]。而SLR1（SLENDER RICE1）是水稻中的DELLA蛋白。正常植物中，GA通过介导DELLA蛋白的降解来促进生长，而在水稻GRVs材料中 [5 6]，具有生物活性的GA丰度会明显降低，从而大大提高了其体内SLR1蛋白的积累[7 8]。本项研究中，以Nanjing6 (NJ6)为对照，利用SLR1特异性识别抗体（ABclonal）鉴定发现，半矮系品种NJ6-sd1中的SLR1蛋白积累相对于NJ6而言明显增加，而NJ6-sd1-GRF4^ngr2的SLR1蛋白积累受到抑制。

 

DELLA accumulation inhibits growth, nitrogen response and nitrogen uptake of rice and wheat GRVs.

2.研究表明，NJ6-sd1的氮素利用效率较于其野生型NJ6要低。以NJ6 (SD1)为对照，分析了sd1背景下的36个籼稻资源材料对NH₄⁺的吸收速率，并以NJ6为轮回亲本与一个高NH₄⁺吸收速率的新品系材料NM73杂交创建了BC₁F₂群体，以期实现GRVs氮素吸收能力的机制解析，从而提高其有效氮素利用效率。研究人员通过RNA干扰实验以及GRF4^NGR2/GRF4^ngr2的过表达实验证明，GRF4可以正向调控NH₄⁺的吸收利用率，从而抵消了sd1背景下的SLR1过量积累对作物氮素利用效率的抑制作用。


GRF4 regulates rice NH4⁺ uptake and growth response to nitrogen availability.

3.本研究接下来研究了SLR1和GRF4调节氮素代谢的机制。在NJ6和NJ6-sd1中，GA均能将¹⁵NH₄⁺摄取率提高到类似的高水平。此外，GA-生物合成抑制剂PAC会减少NJ6和NJ6-sd1对¹⁵NH₄⁺的吸收速率，而GA却能够使其恢复。因此由sd1或者PAC造成的SLR1积累能够减少水稻根系对NH₄⁺的摄入，而GA造成的SLR1减少能够增加水稻根系对NH₄⁺的吸收。此外，GA-DELLA系统差异调控NH₄⁺代谢相关基因的mRNAs的丰度。为了进一步解析GRF4作用的分子机制，研究人员通过RNA-seq和ChIP-seq证明了GRF4与其转录激活子GIF1（GRF-interacting factor 1）能够结合在下游靶基因的启动子上，继而激活下游参与氮素吸收和氮素同化的相关基因的表达，而SLR1则会抑制该过程。

Competitive GRF4–GIF1–SLR1 interactions coordinate NH4⁺ uptake and assimilation.

4. 值得注意的是，SLR1能够抑制GRF4的丰度自我提升。相对于NJ6而言，NJ6-sd1中GRF4的mRNA丰度降低，而NJ6-sd1-GRF4^ngr2相对于NJ6-sd1的GRF4 mRNA丰度增加。此外，GRF4在体内与含有GCGG的GRF4启动子片段结合， 并且SLR1能够抑制GRF4 - GIF1复合体对下游靶基因的转录激活能力。最终，SLR1对GRF4 - GIF1相互作用的干扰从两个方面抵消了GRF4对氮素代谢的促进作用：首先，SLR1减少了GRF4的积累；其次，SLR1降低了GRF4-GIF1对氮素代谢基因转录的激活作用。

SLR1 inhibits GRF4–GIF1 self-promotion of GRF4 mRNA and GRF4 protein abundance

接下来本研究表明，增加GRF4丰度可以提高中国高产品种9311 的NUE和籽粒产量。而9311-GRF4^ngr2近等基因系的半矮化表型虽然没有明显改变，但却呈现出叶片及茎秆的宽度增加，这是由于由GRF4^ngr2赋予的NH₄⁺和NO₃^-摄取增加了9311的产量。因此，与9311相比，不管是在高氮还是低氮供应水平下， 9311-GRF4^ngr2的小区产量均有所增加。因此，由GRF4^ngr2产生的GRF4丰度增加能够部分地将GA对茎秆伸长(植株高度)的调控与氮素代谢调控断开。GRF4促进生物量的增加主要体现在叶片和茎秆宽度的增加而不是高度的增加。同样的，GRF4丰度的增加也会提高小麦GRVs的产量和NUE。综上，增加GRF4丰度增加了水稻和小麦GRVs在中等氮素条件下的籽粒产量。

文章小结
本文表明，水稻生长调节因子（GRF4）转录因子和生长抑制剂DELLA蛋白的平衡拮抗活性和物理相互作用赋予了谷物生长和碳氮代谢的稳态协同调节。GRF4能够促进和整合农作物的氮素同化、碳素固定以及生长进程，而DELLA蛋白却恰好可以抑制这些过程。因此，DELLA蛋白积累作为绿色革命植物品种的重要特性，不仅会促成谷物增产矮化，并且可以降低谷物本身氮素利用效率。然而，通过增加GRF4的蛋白丰度来改变GRF4–DELLA之间的平衡关系，继而相应地提高绿色革命品种的氮素利用率和产量可以为调节植物生长-代谢协同为未来的可持续粮食安全和新的绿色革命提供了新的育种策略。