Nature！BGISEQ助力解析高效利用氮肥调控机制，推动作物绿色变革新方向

2018年8月16日《Nature》杂志在线发表了一篇题为“Modulating plant growth–metabolism coordination for sustainable agriculture”的研究论文，中科院遗传与发育生物学研究所傅向东团队深入解析作物生长、氮素利用相关GRF4-DELLA的平衡调控机制，在不影响优良性状作物半矮化的同时提高作物产量。GRF4的遗传变异将成为提高作物产量和养分利用效率的主要目标，新的育种策略将引领未来绿色革命，并在增加产量可持续化的同时减少因使用农业氮而导致的环境恶化。

研究背景

通过选育半矮化作物，极大地提高了绿色革命品种谷物的产量，但因使用过多无机氮肥而导致环境恶化日益加剧。为加强全球粮食安全及可持续发展，提高作物氮利用效率的需求日益迫切。因此，需要深入了解作物生长，氮同化、碳固定的共同调节机制。

研究思路

材料选择：水稻半矮杆品系NJ6-sd1、对应野生型品系NJ6（NJ6-sd1的氮素利用效率比NJ6低）

研究方法：以NJ6 (SD1)为对照，对36个含有sd1的籼稻品种分析NH₄⁺的利用率。再以NJ6为轮回亲本与一个高NH₄⁺吸收率品系NM73杂交创建BC1F2群体，通过QTL定位、图位克隆等技术获得氮肥高效利用的关键基因。分析关键基因启动子的三种SNP分型，筛选不同型别影响作物产量的潜在联系。

测序技术平台：RNA-seq BGISEQ；ChIP-seq BGISEQ

主要研究结果

1、GRF4促进“绿色革命”作物水稻对NH₄⁺的摄取

在水稻和小麦中，DELLA的积累会抑制作物生长和氮吸收。利用RNA干涉将GRF4沉默或降低表达，证明GRF4可以促进对NH₄⁺的吸收。

图1 DELLA的积累抑制水稻和小麦的生长及氮素吸收

a. 水稻半矮杆品系NJ6-sd1，对应野生型品系NJ6； b. SLR1的积累。HSP90为对照，印迹结果。 c. 水稻高度；d. 小麦高度；e. NH₄⁺不同氮浓度下的摄取速率；f. NO₃^- 不同氮浓度下的摄取速率。

图2 GRF4调节水稻吸收NH₄⁺，以及对氮素利用率的生长反应

a. NH₄⁺吸收和产量变化；b. QTL分析； c. NH₄⁺摄取率；d. GRF4的累积；e. 增加氮素供应，NJ6根中GRF4转录物丰度；f. NJ6中GRF4的累积；g. 成熟株高；i. NH₄⁺摄取率； j. 四周龄植物的干重。

2、GRF4-SLR1相互作用调节氮代谢

通过RNA-seq和ChIP-seq（基于BGISEQ平台）解析GRF4作用的分子机制，证明GRF4是激活下游参与氮素吸收和氮素同化的相关基因。ChIP-seq揭示了潜在的GRF4靶识别位点，其中主要是多个氮代谢基因启动子共有的GGCGGC-motif。

GRF4与GIF1（GRF-interacting factor 1）复合体结合包含GCGG-motif的启动子，促进氮素同化吸收。SLR1（属于DELLA家族）在该途径中可抑制GRF4与GIF1的相互作用，导致氮素利用率降低。同时，GRF4还可以促进碳同化吸收相关基因的表达。

图3 GRF4调控多种氮代谢基因的表达

研究结论

1、GRF4-DELLA相互平衡作用调节植物的生长和代谢。GRF4（GROWTH REGULATING FACTOR 4）是生长调节因子，调节促进植物氮代谢和稳态，也协调促进植物碳代谢和生长，而DELLA生长阻遏物抑制这些过程。GRF4与DELLA是以拮抗调节关系来维持平衡。

2、半矮化作物中，在适度的氮素水平下增加GRF4的表达，GRF4-DELLA平衡机制偏向于GRF4的促进作用，从而利于氮、碳的吸收，增加叶、茎的宽度，但对植物的高度影响很小。因此，GRF4表达增加改善氮素吸收效率的同时，不影响半矮化性状，能进一步提高作物产量。

这并不是生命科学顶级期刊中第一次出现BGISEQ的身影。2017年《Cell》杂志Methyltransferase SETD2-Mediated Methylation of STAT1 Is Critical for Interferon Antiviral Activity文章中就初现BGISEQ平台RNA-seq产品。本次《Nature》杂志发表的文章中更是同时亮相了RNA-seq和ChIP-seq两款产品。

自2016年BGISEQ系列测序仪规模化生产以来，测序产品陆续推出，助力科技服务。两年磨砺，使“中国制造”在高端测序技术的源头创新和上下游协同发展实现突破和引领，将精准、灵活、高效、简易做到极致。

现基于BGISEQ平台已发表文章100余篇，影响因子总计近600。

点击下方“阅读原文”查看文献。

撰稿：王   佳

编辑：市场部

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