近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁艷鋒教授團(tuán)隊(duì)和李?yuàn)櫧淌趫F(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，秈稻和粳稻對(duì)大氣CO₂濃度升高響應(yīng)差異與DNR1的亞種間變異有關(guān)。相對(duì)于攜帶粳稻DNR1的水稻品種，攜帶秈稻DNR1的水稻品種在大氣CO₂濃度升高下產(chǎn)量提升更顯著。相關(guān)研究成果以“Variation in a single allele drives divergent yield responses to elevated CO₂between rice subspecies”在線發(fā)表在《Nature Communications》上。

氣候變化日益加劇，大氣CO₂濃度持續(xù)升高，2024年大氣CO₂濃度已經(jīng)達(dá)到424 ppm。由于當(dāng)前大氣CO₂濃度遠(yuǎn)低于C3植物光合作用的CO₂濃度飽和點(diǎn)，大氣CO₂濃度升高一般提高水稻產(chǎn)量。近幾十年的田間開(kāi)放式大氣CO₂濃度升高試驗(yàn)（FACE）發(fā)現(xiàn)大氣CO₂濃度升高對(duì)秈稻的增產(chǎn)效應(yīng)大于粳稻，然而這種差異的分子機(jī)制尚不清楚。

大氣CO₂濃度升高一般會(huì)刺激C3植物葉片光合作用，但這種刺激效應(yīng)是受到氮有效性調(diào)控的。值得注意的是，粳稻的氮（尤其是硝態(tài)氮）吸收和同化能力普遍低于秈稻。通過(guò)多品種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大氣CO₂濃度升高與水稻品種對(duì)硝態(tài)氮吸收有互作效應(yīng)，即大氣CO₂濃度升高對(duì)秈稻硝態(tài)氮吸收的增加量顯著高于粳稻的。大氣CO₂濃度升高也能促進(jìn)銨態(tài)氮的吸收，但秈稻和粳稻的銨態(tài)氮吸收對(duì)大氣CO₂濃度升高的響應(yīng)沒(méi)有明顯差異。因此，秈稻對(duì)大氣CO₂濃度升高的響應(yīng)更高可能與秈稻硝態(tài)氮吸收能力更強(qiáng)有關(guān)。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，在FACE平臺(tái)利用DNR1近等基因系和突變體開(kāi)展田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攜帶秈稻DNR1（硝態(tài)氮吸收高）水稻在大氣CO₂濃度升高下產(chǎn)量增幅達(dá)到22.8–32.3%，但攜帶粳稻DNR1（硝態(tài)氮吸收低）水稻的產(chǎn)量?jī)H增加3.6–11.1%。其機(jī)制是：在攜帶秈稻DNR1的植株中，大氣CO₂濃度升高大幅降低了DNR1的積累，合成了更多生長(zhǎng)素，招募了更多的OsARF6和OsARF17，上調(diào)了參與硝態(tài)氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)（OsNRT1.1B、OsNRT2.3a、OsNIA2和OsNPF2.4），增加了對(duì)硝態(tài)氮的吸收和同化，從而大幅增強(qiáng)了葉片光合基因（OsPsaB、OsRbcs和OsSBPase）的表達(dá)和光合速率。研究結(jié)果證實(shí)了秈稻對(duì)大氣CO₂濃度升高的響應(yīng)更高與硝態(tài)氮吸收能力更強(qiáng)有關(guān)，秈稻DNR1基因可作為提高粳稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的關(guān)鍵育種資源，尤其是在大氣CO₂濃度持續(xù)升高的背景下。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生劉云龍和鐘山青年研究員張思宇博士為論文共同第一作者，丁艷鋒教授、李?yuàn)櫧淌诤徒そ淌跒橥ㄓ嵶髡?。英?guó)Exeter大學(xué)Kees Jan van Groenigen教授，美國(guó)北卡羅來(lái)納州州立大學(xué)胡水金教授，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究員，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所張衛(wèi)建研究員，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)黃山教授，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)李剛?cè)A教授、劉正輝教授、王松寒教授和錢(qián)浩宇副教授等參與了本項(xiàng)研究。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。