基本信息

2020 年 2 月 7 日，Science  杂志以封面文章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题为 Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice  的研究论文。
 

该研究发现了一个水稻利用氮素的新机制：NGR5 通过调控 H3K27me3 染色体修饰参与氮素对水稻分蘖调控过程。该研究有助于提高产量的同时减低氮肥施用、进一步推动「低投入、高产出」的可持续农业发展。

中国科学院遗传与发育生物学研究所吴昆博士和王栓锁博士为论文共同第一作者。

文章中酵母文库实验由欧易生物完成。
 

研究背景

上世纪 60 年代，以半矮化育种为特征的第一次「绿色革命」，使得全世界水稻和小麦产量翻了一番。在水稻中，培育半矮杆水稻主要是利用赤霉素合成基因 SD1  的等位突变体，该基因的突变会导致活性赤霉素（gibberellic acid, GA）减少而产生植物半矮化表型。虽然半矮植物抗倒伏，但 sd1 基因导致水稻体内抑制植物生长的 DELLA 蛋白高水平积累，使其对氮肥响应减弱和利用效率下降，需要大量氮肥投入才能使之产量最大化。而氮肥的大量使用又会导致严重的环境问题，不利于农业可持续发展。
 

作物的产量主要由三个要素构成：单株的穗数、每穗的粒数和平均粒重。在减少氮肥施用条件下提高分蘖数量，提高氮肥利用效率，将有助于提高作物产量，同时促进农业的可持续发展。本研究的主要目标就是研究氮肥如何影响水稻分蘖数量。

研究内容

本研究发现，水稻 NGR5  基因是植物氮素响应的一个正向调控因子，氮素通过 NGR5 促进水稻分蘖。NGR5 会招募 PRC2 蛋白复合体，二者共同介导染色质 H3K27me3 的表观修饰，进而负向调控分枝抑制基因（如 D14、OsSPL14 ）的表达。研究发现，NGR5 是赤霉素信号传递的一个新途径，赤霉素受体 GID1 会直接结合 NGR5 导致其发生降解。同时发现，DELLA 蛋白介导的氮素依赖性分蘖调控能力也依赖于 NGR5。

研究结果

1. 氮素通过 NGR5 促进水稻分蘖：

通过 EMS 诱变，在具有「绿色革命」基因 sd1  的水稻高产品种 9311 中筛选到一个突变体，通过图位克隆手段，最终确定一个与氮肥利用效率相关的关键基因 NGR5。研究证实，NGR5 氮素依赖性地调控水稻的分蘖能力（下图 D），随着氮肥使用量增加，NGR5  基因在 mRNA 和蛋白质水平都发生显著的上调（下图 E 和 F），同时水稻的分蘖能力也随之上升（下图 G）。

2. NGR5 负向调控分枝抑制基因：

RNA-seq 显示 NGR5  缺失导致全基因范围内 mRNA 表达变化，通过 GSEA 分析表明，在正常水稻中本应处于抑制状态的 H3K27me3 相关基因均表现为上调，这其中包括 D14、D3、OsTB1、OsSPL14  等已知会抑制分蘖的基因。ChIP-PCR 实验证实 NGR5 蛋白结合到 D14、OsSPL14  基因的启动子和基因区（下图 E），而这种结合伴随 H3K27me3 修饰水平的上升，并且这种结合是氮素依赖性的（下图 G 和 H）。

3. NGR5 通过结合 PRC2 调控 H3K27me3 修饰：

为研究 NGR5 如何调控 H3K27me3 的修饰，文章进行了酵母双杂交文库筛选实验，筛选到一个与 NGR5 具有互作关系的蛋白质 LC2，并通过 BiFC 和 Co-IP 证实了两者之间的结合（下图 A 和 B）。LC2 是 PRC2 蛋白复合体的组分之一。敲除 LC2  显示与 NGR5  突变相同的表型：氮素依赖性的分蘖能力消失。进一步 ChIP-seq 实验证实 NGR5 和 LC2 通过结合到氮素相关的基因区域，调控 H2K27me2 修饰水平，进而调控相关基因（D14、OsSPL14）的表达。

4. NGR5  是赤霉素受体 GID1 的靶基因：

氮肥促进分蘖能力，而使用赤霉素可以抑制这一过程，因此文章推断 NGR5 基因与赤霉素处理具有相通的调控机制。敲除赤霉素受体 GID1  基因，可以显著提高分蘖数；在 ngr5  和 gid1  突变体中使用赤霉素，并不会抑制分蘖数。同时实验证实 GID1 会导致 NGR5 蛋白泛素化而发生下调，而这一过程非依赖于 DELLA 蛋白。

5. DELLA 与 NGR5 共同调控氮素响应：

酵母双杂交文库筛选实验还发现另外一个与 NGR5 具有结合作用的蛋白质 SLR1，而 DELLA 蛋白的 LHR1 motif 是 NGR5-SLR1 互作所必需的（下左图）。而 NGR5-SLR1 的结合与 GID1 对 NGR5 的降解存在竞争关系。通过构建近等基因系表型观察，结果表明单独 gid1  或 sd1  的突变株施加氮肥可以促进分蘖，但同时携带有 ngr5  突变的水稻施加氮肥对于分蘖几乎没有影响（下右图），由此可以推断 DELLA 介导的氮素依赖性分蘖调控能力依赖于 NGR5。
 

6. NGR5  可以提高氮肥利用效率进而促进产量：

为了进一步探究 NGR5  与水稻产量的关系，文章对公共数据库进行统计分析，发现了 5 个水稻的单倍型，其中的 Hap.2 在低氮和高氮均表现出 NGR5 mRNA 表达水平升高，同时分蘖数量增加、产量提高。

研究结论

本研究发现一个氮素响应的新途径：NGR5 可以招募 PRC2 蛋白复合体共同调控 H3K27me3 修饰水平，进而调控与分蘖相关基因（如分蘖抑制基因 D14、OsSPL14）的表达。研究同时表明，NGR5 对于赤霉素的响应是独立于 DELLA 途径的，并且与 DELLA 之间存在于赤霉素受体 GID1 的竞争关系。而 GID1 可以调控 NGR5 的降解。
 

参考文献

Wu k, Wang S, Song W, et al. Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice. Science 2020; 367:eaaz2046.