厉害了 | 傅向东发表2篇Nature，4篇Nature Genetics，在水稻产量等领域取得重大突破（系统解析，值得收藏）
iNature
在农业生产中，大量施用氮肥一直是水稻、小麦等农作物增产的重要措施。然而，氮肥的使用量逐年增加并未带来农作物产量的大幅提高，经济效益和生态效益反而呈下降趋势。因此，培育氮肥高效利用的新品种是降低生产成本、减少环境污染、绿色高效提高水稻、小麦等农作物产量的一种有效途经。 2018年8月16日，英国《自然》杂志将以研究长文形式在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究组关于赤霉素信号传导途径调控植物氮肥高效利用的最新研究进展。该项成果进一步深入了我们对于植物生长与代谢协同调控机制的认识，从而找到了一条在保证粮食总产量不断提高的同时，提高了氮肥利用效率，降低了生产投入成本，减少了对环境造成的污染的可持续发展农业新途径。 另外，iNature对于傅向东的研究成果进行了简短的总结，发现傅向东发表了2篇Nature，4篇Nature Genetics及其他的众多文章。在这里，由于篇幅的限制，我们只是介绍傅向东的2篇Nature，4篇Nature Genetics。
1.赤霉素信号传导途径调控植物氮肥高效利用
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。“绿色革命”最明显的特征是水稻和小麦植株半矮化，提高了收获指数，解决了因大量施肥导致的植株倒伏和减产问题，从而实现了水稻和小麦单产的大幅度提升。目前这些半矮化、耐高肥、抗倒伏的品种类型在当前小麦和水稻作物育种中仍然占据主导地位。但是，携带“绿色革命”基因的农作物中抑制植物生长的DELLA蛋白高水平积累，导致其对氮肥响应减弱和利用效率下降。目前，我国水稻氮肥利用率平均只有35％。为了提高水稻产量，不得不大量使用氮肥。中国水稻种植面积占世界水稻种植面积的20％，但中国水稻氮肥用量却占全球水稻氮肥总用量的37％。持续大量的氮肥投入，不仅浪费了资源和能源，而且加剧了土壤酸化、水体富营养化和农业温室气体排放等一系列生态环境污染问题。
在科技部、中科院和基金委的大力支持下，历时6年的协作与攻关，从携带“绿色革命”基因的水稻资源材料中筛选到一个氮素吸收速率显著增加的新品系，通过QTL定位、图位克隆等技术获得了氮肥高效利用的关键基因GRF4。尽管GRF4之前就被证实是可能参与了赤霉素信号传递途径，对植物生长发育起重要调控作用，但具体分子机制不是很清楚。该研究证实了GRF4是一个植物碳-氮代谢的正调控因子，可以促进氮素吸收、同化和转运途径，以及光合作用、糖类物质代谢和转运等，进而促进植物生长发育。研究还发现了一个新型的优异等位基因GRF4ngr2，将这个等位变异位点导入当前高产主栽高产水稻和小麦品种后，不仅提高其氮肥利用效率，同时还可保持其优良的半矮化和高产特性，最终导致水稻和小麦在适当减少施氮肥条件下获得更高的产量。
研究还证实了GRF4是赤霉素信号传递途径的一个关键元件，它能与DELLA蛋白互作。赤霉素通过促进DELLA蛋白降解，进而增强GRF4转录激活活性，实现植物叶片光合碳固定能力和根系氮吸收能力的协同调控，从而维持植物碳-氮代谢平衡。DELLA蛋白的积累导致了第一次“绿色革命”，实现了植株半矮化、耐高肥和抗倒伏的高产目标，但也伴随着氮肥利用效率的降低。相反，GRF4蛋白的高水平积累能协同提高作物光合作用和氮肥利用效率，但并不改变“绿色革命”的半矮化优良性状，从而实现了在现有高产品种中进一步提升产量和氮肥利用效率。GRF4新功能的发现不仅丰富了我们对于赤霉素信号传导分子机制的认识，而且从分子水平阐明了“绿色革命”矮杆育种伴随氮肥利用效率低下的原因，并提出了明确的解决方案。名古屋大学松冈信教授在Nature同期“新闻与展望”栏目发表专文评述指出，这项发现为“少投入、多产出”的绿色高产高效农作物新品种培育提供具有重要育种利用价值的新基因资源。
该研究结果将于2018年8月16日在线发表于Nature杂志，傅向东研究组博士生李姗为该论文第一作者。该研究得到了中科院战略性先导科技专项、国家重点研究计划、国家自然科学基金委的资助。
原文链接;
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0415-5
本新闻稿来源于：中国科学院遗传与发育生物学研究所官方网站
2.生长素通过调节赤霉素反应促进拟南芥根的生长
植物器官的生长受到从茎尖到根尖的植物激素生长素流的影响。然而，直到现在还不知道生长素如何调节表征器官生长的细胞增殖和增大。在这里，傅向东等人显示生长素通过调节细胞对植物激素赤霉素（GA）的反应来控制根的生长。
GA通过促进植物的生长，与核DELLA蛋白作用相反，其中之一是拟南芥RGA（用于gal-3的阻遏物）。 GA通过使它们去稳定，降低可检测的DELLA蛋白的浓度及其生长抑制作用。该研究还表明，生长素是GA介导的根生长控制所必需的，并且生长素转运或信号传导的减弱延迟了GA诱导的RGA从根细胞核中消失。观察表明，通过生长素对GA介导的DELLA蛋白去稳定化的影响，茎尖对植物器官的生长进行长距离控制。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/nature01387
3.DEP1基因座的自然变异增强了水稻的产量
谷物产量受来自许多作物植物的自然变异的数量性状基因座（QTL）控制。 在这里，傅向东等人报告了通过确定穗结构起作用的主要水稻谷粒产量QTL的分子特征。
DEP1基因座处的显性等位基因是功能获得性突变，其导致磷脂酰乙醇胺结合蛋白样结构域蛋白的截短。 该等位基因的作用是增强分生组织活性，导致花序节间长度减少，每穗粒数增加，从而增加籽粒产量。 该等位基因在许多中国高产水稻品种中很常见，可能代表了相对较新的栽培水稻基因库的引入。 该研究还表明，在温带谷物中存在功能等同的等位基因，并且似乎在小麦和大麦谱系分化之前出现。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/ng.352
种子大小和形状是粮食产量和质量的重要组成部分，自谷物首次驯化以来一直在选择。 在这里，傅向东等人显示数量性状基因座GW8与OsSPL16同义，OsSPL16编码作为细胞增殖的正调节蛋白的蛋白质。
该基因的高表达促进细胞分裂和籽粒灌浆，对水稻的谷粒宽度和产量具有积极影响。 相反，Basmati 米中的功能丧失突变与更细长的谷粒的形成和更好的外观质量有关。 GW8基因座的粒度和等位基因变异之间的相关性表明，在水稻育种计划中可能选择了启动子区域内的突变。 该研究还表明，针对谷粒大小和形状的GS3和OsSPL16的优良等位基因的标记辅助策略可以有效地用于同时改善谷物质量和产量。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/ng.2327
杂交水稻品种杂种优势的部署提高了粮食产量，但粮食质量的提高仍然是一个挑战。在这里，傅向东等人显示水稻谷粒质量的数量性状基因座qGW7反映GW7的等位基因变异，GW7是编码TONNEAU1募集基序蛋白的基因，其与人中心体蛋白CAP350的C-末端基序相似。
GW7表达的上调与更细长颗粒的产生相关，这是由于纵向细胞分裂增加和横向细胞分裂减少的结果。 OsSPL16（GW8），一种调节谷粒宽度的SBP结构域转录因子，直接与GW7启动子结合并抑制其表达。
来自热带粳稻的半数GW7TFA等位基因的存在与较高的谷粒质量相关，而没有Basmati gw8等位基因施加的产量损失。因此，操纵OsSPL16-GW7模块代表了同时提高水稻产量和谷物质量的新策略。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/ng.3352
实现更可持续农业的努力提高了作物植物养分利用效率。在这里，傅向东等人显示主要的水稻氮利用效率数量性状基因座（qNGR9）与先前确定的基因DEP1（DENSE AND ERECT PANICLES 1）同义。不同的DEP1等位基因赋予不同的氮响应，遗传多样性分析表明DEP1在Oryza sativa spp期间经过人工选择-粳稻驯化。
携带显性dep1-1等位基因的植物表现出对氮不敏感的营养生长，同时氮吸收和同化增加，导致在中等氮肥施用水平下收获指数和谷物产量提高。 DEP1蛋白在体内与凝胶（RGA1）和Gβ（RGB1）亚基相互作用，并且降低的RGA1或增强的RGB1活性抑制氮响应。该研究得出结论，植物G蛋白复合物调节氮信号传导和异三聚体G蛋白活性的调节提供了环境可持续增加的稻谷产量的策略。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/ng.2958
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