水稻氮高效基因型篩選及相關基因研究進展

劉 丹 孫玉友 柴永山 魏才強 解 忠 李洪亮 程杜娟 徐德海

（1黑龍江省農業科學院牡丹江分院，牡丹江157041；2黑龍江省農業科學院，哈爾濱150086）

近年來，我國化肥的過度施用已導致農業污染嚴重，提高肥料利用效率是實現“減肥控污”、加快推進生態循環農業建設的關鍵。然而，在我國農業生產過程中，隨著土地生產力和利用率的不斷下降，為了保持和追求更高的水稻產量，廣大稻農不得不施用大量氮肥來實現增產目標。過多地施入氮肥，不僅增加了農業投入成本，而且產生了環境污染和稻米品質下降等問題。如何徹底改變當前這種局面，全面落實農業農村部“2020年化肥、農藥使用量零增長行動”方案，提高水稻的氮肥利用效率迫在眉睫。目前來看，盡管影響水稻氮肥利用效率的因素很多，包括水稻品種類型、種植環境、栽培技術、氮肥類型以及土壤類型等，但提高水稻品種自身的氮肥利用效率依舊是根本。為了從根源上解決該問題，育種家試圖從育種源頭上提高水稻本身的氮肥利用效率，并取得了階段性成果[1-2]。因此，本文通過對水稻氮高效篩選鑒定體系、水稻氮高效的形態生理特征以及氮高效基因的遺傳調控機理3個方面進行了綜述，以期為今后更好地開展氮高效水稻新品種選育研究提供理論參考。

1 水稻氮高效篩選鑒定體系

1.1 水稻氮效率篩選指標 目前，國內外還沒有一套公認統一的水稻氮高效評價體系。國外評價水稻氮肥利用率的指標包括氮肥吸收利用率、氮肥農學利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生產力，它們在不同的層面上反映出水稻對氮肥的利用水平。在國內，研究者們也從不同的角度開展了相關研究，并嘗試建立水稻氮高效的鑒定方法[3-6]。柴煜[4]通過對285份不同基因型水稻種質在2種氮素水平下進行研究，并通過逐步回歸分析進行指標優化，認為苗期分蘗數、成熟期葉綠素含量、單株產量、地上部生物學產量以及成熟期穗部性狀（有效穗數、每穗總粒數、每穗實粒數、穗長、結實率）可以用于氮高效材料的篩選鑒定。鐘代斌等[5]研究表明，相對株高、相對分蘗數和相對干物質重在水稻品種中存在較大的變異，其中相對分蘗數可作為氮素利用評價的重要指標。文春陽[6]研究表明水稻的株高、有效穗數、單株產量、生物產量以及結實率可用于耐低氮和氮高效材料篩選鑒定。此外，還可根據抽穗期葉片的SPAD值和收獲指數進行氮高效材料和耐低氮材料基金項目： 黑龍江省農業科學院牡丹江分院青年基金（mdj-2017）；黑龍江省農業科學院基金（2018）；國家水稻產業技術體系建設專項（CARS-01-41）；黑龍江低溫黑土區春玉米、粳稻全程機械化豐產增效技術集成與示范（2018YFD0300105-3-2）的篩選評價[7-8]。可見，在進行水稻資源氮高效篩選鑒定時，應綜合利用多個相關性狀指標。

1.2 水稻氮效率篩選時期 水稻在不同生育期吸收和利用氮素的效率存在明顯差異，選擇合適的篩選時期至關重要。江立庚等[9]研究發現，水稻氮利用效率高低順序為成熟期＞抽穗期＞分蘗期，而變異系數為抽穗期＞成熟期＞分蘗期，暗示抽穗期種間氮利用效率變異范圍更大，有利于優良品種的選擇。程建峰等[3]研究表明，水稻拔節期之前的植株生長吸氮量占全生育期80%以上，故拔節期是進行氮高效基因型篩選和鑒定的最佳時期。事實上，前人在水稻苗期和全生育期都進行了相關研究，并篩選鑒定出一些氮高效的水稻材料。

在水稻苗期篩選上，童漢華等[10]依據水稻相對苗高、相對單株分蘗數和相對地上部生物學產量3個性狀指標，在101份不同基因型水稻種質資源中篩選出16份氮高效材料和24份氮敏感型材料。阮新民等[11]研究認為，苗期單株干物質重是其氮素效率篩選的重要指標，并初步鑒定出一個苗期氮高效品種K優52。張耀鴻[12]認為苗期氮素吸收特征分析是氮高效材料鑒定的關鍵，其試驗表明Elio的氮素吸收效率顯著高于4007和南光，且南光對低氮條件最為敏感。尹西翔[13]認為水稻的相對干物質重和相對SPAD值變化范圍較大，是苗期水稻氮營養效率篩選考察指標，并從中篩選出4#、33#、65#3個氮高效品種和41#、160#、169# 3個氮低效品種。

在水稻全生育期的篩選上，魏海燕[14]以最高籽粒產量和氮素利用效率為指標，對各基因型水稻的產量和氮素利用效率進行綜合的評價和分類，并篩選出6個氮高效基因型材料（9優418、武育粳3號、揚粳9538、86優8號、武粳15、泗優 422）和6個氮低效基因型材料（農墾57、武農早、鄭稻5號、鎮稻196、香粳20-18、T1-56）。余友玲等[15]認為整個生育期過程中氮高效品種的干物質積累量顯著大于氮低效品種，并根據產量和產量增幅大小初步篩選出Ⅱ優602、兩優6326、Y兩優2號等6個品種為氮高效品種，新兩優6號、Y兩優1號、春光1號等8個品種為氮低效品種。黃永蘭等[16]對氮吸收與利用等相關性狀進行分析，并認為青馬早和陸財早為典型氮高效型；廣陸矮4號為典型耐低氮型；早89-01和早秈152適于高氮條件種植。

2 水稻氮高效材料的形態生理特征

氮高效水稻品種往往具有根系活力強、葉片代謝活力旺盛、充實度好、養分累積量大等一系列特征。根系是作物吸收營養元素的主要途徑，氮利用效率高的水稻品種在整個生育期里都保持著較強的根系活力，其根系數量、根系體積以及冠根比等都較氮低效水稻品種表現出不同程度的優勢[17-18]。研究發現，拔節期具有較高的根密度、根系總吸收面積、根重、根系表面積以及根系傷流量有利于提高水稻吸氮能力[19-20]。樊劍波等[19]研究表明，水稻根系形態特征和根系活力的差異是引起氮高效和氮低效差異的重要原因之一。氮高效品種南光根系對氮肥的響應高于氮低效品種Elio，其總根長和根系表面積在高氮下比低氮分別增加127%和114%。此外，在分蘗期和拔節期，水稻根系分泌有機酸和氨基酸總量與氮素利用效率均呈顯著（極顯著）負相關關系，其分泌組分中的草酸和天冬氨酸的分泌量也與氮素利用效率呈顯著（極顯著）負相關關系[21]。

葉片是進行光合作用的主要場所，水稻葉片的含氮量與其光合作用緊密相關，是影響氮素利用的重要因子。通常，葉片氮素含量高，可以延緩葉片衰老，葉片持綠時間長，從而有效延長了葉片的光合時間。Wu等[22]認為光合速率與葉片含氮量的比例是評價氮素參與光合利用的指標。魏海燕等[23]通過分析不同氮效率水稻品種葉片衰老特性，發現氮高效品種在分蘗盛期至穗原基分化、抽穗期至灌漿結實期這2個階段的氮素吸收速率和積累量都高于氮敏感材料。此外，Ray等[24]認為水稻氮高效可能與相對低的Rubisco含量有關。江立庚等[25]研究認為培育氮高效利用基因型應注意提高單位氮素的CO2同化速率。安久海等[26]研究表明氮高效水稻品種在低氮水平下凈光合速率的下降可能與RuBP羧化酶活性下降有關。

庫容量也是導致不同水稻品種的產量和氮素利用效率差異的重要原因之一。張亞麗[27]研究表明，不同氮效率水稻品種的庫容量差異較大，其中氮高效品種的庫容量高于氮低效品種25%左右。同時，氮高效和氮低效水稻品種在分蘗動態上也差異明顯。在不同氮素水平下，氮低效品種在移栽后15d左右達到分蘗最高峰，其最高分蘗數甚至超過氮高效品種，但其最終成穗率卻較低，最終庫容量顯著低于氮高效品種。

3 水稻氮高效基因的遺傳機理研究

隨著分子標記技術的快速發展，前人已對水稻氮素利用效率的遺傳機理開展了相關研究，檢測到的QTL位點分布于水稻12條染色體上[28-30]。至今，我國科學家也已經成功分離克隆出一些參與氮素吸收調控的基因，如qNGR9、OsNRT2.3、OsPTR6、OsNAR2.1、NRT1.1B以及ARE1等。qNGR9是一個控制氮肥利用效率的主效QTL位點，該位點與DEP1位于同一個基因位點上。DEP1/DN1/qPE9-1/qNGR9編碼γ亞基，G γ蛋白DEP1與G α亞基和Gβ亞基發生了互作，導致RGA1活性降低，RGB1活性增高，從而抑制了氮反應。該位點上的顯性等位基因能引起稻穗變短、直立以及氮不敏感型營養生長，是功能獲得性突變[31]。OsNRT2.3是一個水稻硝酸鹽轉運蛋白，在轉錄過程中通過選擇性剪接產生OsNRT2.3a和OsNRT2.3b兩種轉錄本，其中OsNRT2.3b主要在韌皮部表達，能增強水稻對pH的緩沖能力，提高氮、鐵、磷的吸收和對氮的有效利用率，對植株適應不同形式的氮源十分重要。田間試驗表明，過表達OsNRT2.3b可以提高水稻日本晴產量20%~54%，提高氮素利用率40%左右[32]。OsPTR6是一個小肽轉運蛋白，過表達OsPTR6會明顯促進不同氮素供應條件下植株的生長，但是會減少高氮環境下的氮利用效率[33]。OsNAR2.1可能在吸收和信號中發揮功能，并調控生長素從莖部向根部的轉運，影響側根形成[34]。同時，OsNAR2.1能與OsNRT2.1/2.2和OsNRT2.3a進行互作，促進水稻根系吸收硝酸鹽[35-36]。有研究表明，在OsNAR2.1轉基因水稻株中，OsNAR2.1的表達提高了氮肥吸收率和水稻產量[37]。NRT1.1B基因單堿基突變是導致秈稻與粳稻亞種間氮肥利用效率差異的重要原因。秈稻型NRT1.1B基因能夠提高氮的吸收效率和根系間氮素的轉移，上調氮素吸收相關基因的表達水平[38]。ARE1是一個氮利用效率的重要調控基因，其表達量的降低與產量直接相關。are1變異能延緩水稻植株衰老和耐受氮饑餓，在低氮水平下，具有較高的氮肥利用效率，能提高水稻10%~20%的產量[39]。

4 總結與展望

氮是影響水稻生長發育和產量形成的最重要營養元素之一。提高我國水稻氮肥利用效率，對于減少肥料資源浪費，避免環境污染具有重要意義。目前，有關水稻氮肥利用效率的研究主要包括3個方面。

（1）水稻氮高效品種的篩選。在這個過程中建立合理的水稻氮高效評價體系至關重要；在品種篩選鑒定時必須要兼顧篩選方法、篩選指標和篩選時期3個方面，這樣才能保證材料篩選的準確性。

（2）水稻氮高效品種的形態生理特征分析，建立氮高效水稻理想主效模式。與氮低效品種相比，氮高效水稻品種通常會具備根系活力強、葉片代謝活力旺盛、充實度好以及結實期養分累積量大等特征，深入分析氮高效基因型品種的形態生理特征，將有助于明確氮素在植物體內的高效吸收、運轉和再分配生理機制。

（3）氮高效基因的遺傳分析和定位。近年來，通過開展氮高效材料的基因定位，已經克隆了一些水稻氮素利用效率基因，并闡明了它們的分子作用機制，但對于水稻氮高效的形成機制、遺傳調控網絡以及關鍵調控過程目前還沒有明確的答案，有待于今后更深入的研究。

總體來看，隨著水稻氮肥利用相關研究的不斷深入，必將促進今后水稻氮高效品種的培育和氮肥利用效率相關性狀的遺傳改良，加快我國水稻產業綠色、高效、可持續發展的步伐。