作物养分高效利用研究团队围绕作物必需营养元素高效利用的目标，以稻麦、茄科作物、豆科作物等为研究对象，通过分子生物学、遗传学、基因组学等技术手段，解析作物高效吸收利用营养元素的分子遗传机制。针对水稻氮素吸收和利用效率有待提高的问题，主要开展单糖转运蛋白OsSTP28控制水稻分蘖及产量对氮素响应以及CaAU1控制水稻氮吸收效率及产量的机制解析和优异单倍型发掘的工作。2024年度克隆克隆控制水稻分蘖及产量对氮素响应的关键基因和控制水稻氮吸收效率及产量的关键基因 2 个，相关研究成果在Nature Communications期刊发表SCI论文1篇，获得1项授权国家发明专利。克隆了调控根系避盐的关键转录因子SMB，克隆了调控水稻根系发育响应高铵的基因CKX3。相关研究结果发表在Nature Communications和New Phytologist上。

团队负责人： 徐国华 教授

一、 研究进展

1. 水稻分蘖氮响应及氮素高效利用的关键调控基因OsSTP28

作物碳-氮代谢、分配利用的协同是作物高产和氮素高效利用的基础。利用全基因组关联分析（GWAS）、基因编辑、多组学分析和田间试验等手段挖掘到水稻分蘖氮响应的负关键调节因子（葡萄糖转运蛋白OsSTP28），解析了水稻分蘖氮响应和产量形成的新机制。研究表明氮素营养通过抑制OsSTP28的表达提高了茎基部质外体葡萄糖水平，进而通过组蛋白H3K27的甲基化修饰抑制转录因子OSH15的表达并激活赤霉素氧化酶GA2oxs介导的赤霉素分解代谢，最终促进了水稻的分蘖和产量的提升。此外，该研究还发现OsSTP28的优异等位基因可以更加高效地促进现代栽培水稻品种的分蘖氮响应和产量，为水稻高产和氮高效的遗传改良提供了优异的基因资源。

综上所述，该研究以氮素调控水稻分蘖发生为例，阐明了氮素通过调控库器官单糖的分配，实现碳、氮协同，提高产量的新机制，为氮素高效育种提供了新思路和基因资源。

本研究的主要成果以“Sugar transporter modulates nitrogen-determined tillering and yield formation in rice”为题，发表于国际著名期刊Nature communications。并已申请了OsSTP28基因的中国发明专利（申请号：CN202211299130.0）。

2. 水稻氮吸收效率及产量的调控基因CaAU1

通过对196份水稻核心种质材料在高低氮水平下的根系氮素吸收效率进行GWAS分析，鉴定到一个控制水稻氮吸收效率的显著位点，并分离得到相应的候选基因：CaAU1（Calcium regulates Ammonium Uptake 1）。现已获得CaAU1功能验证所需的突变体、不同单倍型回补系、启动子活性报告系、钙信号报告系等遗传材料。多年多点的田间实验表明，敲除CaAU1 增加水稻的铵吸收，抑制钙吸收，降低株高和产量。现有结果表明，CaAU1在调控水稻氮素吸收效率方面具有重要的育种价值。

3. 抗逆性状关键基因

克隆了调控根系避盐的转录因子SMB，揭示其通过影响AUX1介导的根冠生长素不对称分布介导根系避盐性 （Nature Communications）；克隆了调控根系耐受高铵的基因CKX3，揭示其通过影响细胞分裂素的代谢来介导水稻根系对高铵的耐受性（New Phytologist）。

二、科研产出

1. 发表SCI论文

[1]. Zhang J, Zhang Y, Chen J, Xu M, Guan X, Wu C, Zhang S, Qu H, Chu J, Xu Y, Gu M, Liu Y#, Xu G#. (2024). Sugar transporter modulates nitrogen-determined tillering and yield formation in rice. Nature Communications, 2024, 15: 9233. (#Co-corresponding authors)

[2]. Li, L., Jia, L., Duan, X., Lv, Y., Ye, C., Ding, C., Zhang, Y., Qi, W., Motte, H., Beeckman, T., Luo, L., Xuan, W. (2024) A nitrogen-responsive cytokinin oxidase/dehydrogenase regulates root response to high ammonium in rice. New phytologist, 244(4), 1391–1407.

[3]. Zheng L, Hu Y, Yang T, Wang Z, Wang D, Jia L, Xie Y, Luo L, Qi W, Lv Y, Beeckman T, Xuan, W., Han Y. (2024) A root cap-localized NAC transcription factor controls root halotropic response to salt stress in Arabidopsis. Nature Communications, 15: 2061

[4]. Chen, Y., Li, Y., Fu, Y., Jia, L., Li, L., Xu, Z., Zhang, N., Liu, Y., Fan, X., Xuan, W.*, Xu, G., Zhang, R. (2024) The beneficial rhizobacterium Bacillus velezensis SQR9 regulates plant nitrogen uptake via an endogenous signaling pathway. Journal of experimental botany, 75(11), 3388–3400. https://doi.org/10.1093/jxb/erae125

2. 获批专利

[1]. 水稻钙氢反向转运蛋白基因OsCAX1a在提高水稻铵吸收中的应用。授权专利号：ZL202410010772.7。完成人：徐国华，张誉译，张金飞，刘鹰，景媛媛。专利公告日：2024年7月12日。

[2]. 一种快速测定土壤速效钾离子的电极和方法。授权专利号：ZL202210662148.6完成人：冯慧敏；范晓荣；张毓月；张永涛。专利公告日：20240126

[3]. 植物类胡萝卜素合成相关蛋白DcAPRR2及其编码基因与应用。授权专利号：ZL202311226749.3。完成人：徐志胜；张凯；熊爱生；王璐专。利公告日：20240130

[4]. 一种水稻MYB转录因子及其编码蛋白的应用。授权专利号：ZL202211500747.4。完成人：徐国华；王婷婷；金毅。20240213。

[5]. 水稻钙氢反向转运蛋白基因OsCAX1a 在提高水稻铵吸收中的应用。授权专利号：ZL202410010772.7。完成人：徐国华，张誉译，张金飞，刘鹰，景媛媛

[6]. 一种增强植物抗冷能力的保护剂、制备方法及其应用。授权专利号：202210506208.50 。完成人：林智慧 张亚丽，杨扬，陈涛，宋文静，许娜，汪季涛，吴旭专利公告日：20240913。

[7]. 破膜培土装置的设计及应用。授权专利号：202420435321.30 。完成人：王瑞宝，宗郭心安，张亚丽。专利公告日：20240923。