北京时间今天凌晨，国际权威学术期刊《科学》杂志以研究长文（Research Article）形式刊登了中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员带领的科研团队关于赤霉素信号传导新机制调控水稻氮肥高效利用的最新研究进展。

该项成果深化了对赤霉素信号传导和植物氮素响应之间复杂的相互作用机制的理解，找到了一条在保证粮食产量不断提高的同时，提高水稻氮肥利用效率，降低化肥投入，减少环境污染的育种新策略，有助于培育“少投入、多产出”作物新品种从而实现可持续的粮食安全，是中国科学院种子创新研究院建立后取得的又一重大突破。

该论文被《科学》杂志选为本期的封面文章（Cover Story）进行重点推荐。

水稻是我国最重要的粮食作物之一，对保障国家粮食安全和社会稳定起到了非常重要的作用。

上世纪60年代，以矮化育种为标志的“绿色革命”使得水稻等作物品种具有耐高肥、抗倒伏和高产的优良特性，但同时也存在氮肥利用效率低的缺点，导致其产量对化肥的依赖性较高。为了提高农作物产量，不得不大量使用氮肥。持续大量的氮肥投入不仅增加了种植成本，还导致了日益严重的环境污染问题，而且作物的倒伏问题也因此变得越来越严重。

以矮化育种为特征的“绿色革命”，使得全世界水稻产量翻了一番。当前，半矮化、耐高肥、抗倒伏的品种类型在水稻育种中仍然占据主导地位。研究结果表明，携带“绿色革命”基因sd1的水稻品种中，植物生长抑制因子DELLA蛋白高水平积累，导致其对氮肥响应和利用效率下降。

因此，如何从育种源头上提高农作物自身的氮肥利用效率，既保留“绿色革命”品种的高产特性，又能减少氮肥施用量，达到“少投入、多产出”的目标，已成为当前我国农业可持续发展亟待解决的重大问题。

在科技部、中国科学院和国家自然科学基金委的大力支持下，研究团队历时8年的协作与攻关，利用化学诱变和遗传筛选，从携带“绿色革命”基因的水稻品种9311中筛选到一个产量性状（例如分蘖能力）对氮素响应不敏感的突变体，通过图位克隆方法获得了氮肥高效利用的关键基因NGR5。

研究表明NGR5是水稻生长发育（包括株高、分蘖和每穗粒数等重要农艺性状）响应氮素的正调控因子，同时NGR5的基因表达水平和蛋白积累量随施肥量的增加而增加。

在当前主栽高产品种中，提高NGR5表达量不仅提高水稻氮肥利用效率，同时还可保持其优良的半矮化和高产特性，最终导致水稻在适当减少施氮肥条件下获得更高的产量。

研究还发现了一个新型的优异等位基因NGR5（hap.2），其表达量对氮素改变的响应更加敏感，将这个优异等位变异位点导入当前高产品种后，有望培育出“少投入、多产出”的绿色高产水稻新品种。

进一步的研究发现，NGR5是赤霉素信号传导途径的一个新的关键元件。NGR5还能通过一系列分子信号传导，调控水稻分蘖等农艺性状及其对氮素的响应。赤霉素通过促进NGR5蛋白降解，实现赤霉素促进植物分枝生长发育。这一系列新机制的发现，不仅丰富了我们对于赤霉素作用机理的认识，而且从分子水平揭示了“绿色革命”矮秆品种在高肥条件下增产的原因。

本研究还发现NGR5与DELLA蛋白互作的机制，DELLA蛋白能竞争性结合赤霉素受体GID1蛋白，抑制赤霉素介导的NGR5蛋白降解，进而增加NGR5蛋白稳定性。

DELLA蛋白积累导致了第一次“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，NGR5蛋白的高水平积累并不改变“绿色革命”的半矮化优良性状，但能增加水稻分蘖数，从而实现了在减少氮肥投入的条件下进一步提高现有主栽品种产量和氮肥利用效率。

作者：许琦敏
编辑：王星
责任编辑：姜澎

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