“绿色革命”培育的半矮秆水稻品种大幅提升了全球粮食总产量，但该种质存在一大短板：植株对氮肥的感知与响应能力大幅衰退，需大量施用氮肥才能充分发挥其高产潜力。这种高氮投入不仅增加农田生产成本，还引发土壤酸化、水体富营养化、温室气体过量排放等多重环境风险。因此，挖掘并破解绿色革命水稻氮利用效率偏低的难题，是保障现代农业可持续发展亟须解决的重大科学问题。
8月11日，华南农业大学储成才教授团队在国际权威期刊Nature Communications在线发表了题为“Natural variation in BRN1 enhances nitrogen sensitivity to improve rice nitrogen use efficiency”的研究论文，该论文揭示了水稻氮素高效利用的新调控机制，鉴定到关键氮响应因子BRN1，其优异等位BRN1H能够有效缓解高氮条件下独脚金内酯抑制因子D53累积所导致的植株生长抑制，显著增强水稻的氮素响应能力与氮利用效率，为培育节肥高产水稻、推动绿色农业发展提供了重要的基因资源与理论依据。
研究团队选用源自全球71个国家和地区、遗传多样性丰富的179份水稻微核心种质为试验材料（图1A），系统分析了高低氮条件下水稻生物量的氮响应特征（图1B）。结果表明，不同水稻品种的氮素敏感性存在显著基因型差异。进一步结合全基因组关联分析（GWAS），成功定位到调控水稻氮素敏感性的关键因子BRN1，即为调控水稻氮响应的重要分子靶点。
深入机制解析发现，施氮量升高会促使独脚金内酯信号通路核心抑制蛋白 D53大量积累；D53可与BRN1发生蛋白互作，进而阻断BRN1对硝酸盐信号关键转录因子NLP3的转录激活作用，致使水稻氮吸收、转运与同化相关基因转录水平降低，最终削弱植株对氮素的响应能力。
本研究在水稻自然群体中筛选获得BRN1优异等位基因BRN1H。其编码蛋白稳定性更强，可缓解高氮下D53蛋白积累带来的抑制作用，维持水稻高效氮响应（图 1C）。田间小区试验证明，导入BRN1H的秀水134在低氮、高氮处理下产量分别提高17.4%和22.9%，兼具增产、节肥双重优势。
基于上述研究结果，团队构建了由D53-BRN1-NLP3组成的完整分子调控模块，系统解析了水稻响应外界氮素营养信号、调控生长发育的分子通路（图1C）。群体遗传分析表明，优异等位变异BRN1H在籼稻种质中广泛分布，在粳稻中则极为稀缺。该发现为水稻不同亚种开展精准分子设计育种提供全新思路，具备重要的育种应用价值与产业化前景。
图1 D53-BRN1-NLP3模块调控水稻氮敏感性
该研究揭示了绿色革命水稻品种氮利用效率偏低的内在分子机制，借助水稻优异自然变异改良水稻氮敏感性和氮素利用效率，为培育节肥高产水稻、推进新一轮农业绿色革命提供关键科学依据与育种思路。
华南农业大学农学院储成才教授和孙虎威副教授为论文通讯作者，孙虎威副教授和博士生陈亚轲为论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、农业生物育种国家科技重大专项、广东省基础与应用基础研究重大项目及广东省“珠江人才计划”创新创业团队项目等经费资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76279-9
文图/农学院
