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            首頁(yè)   >>   技術(shù)文章   >>   LI-6800應(yīng)用案例 |【Nat. Commun.】為什么秈稻比粳稻對(duì)二氧化碳增加更敏感？——分子層面的原因解析
            
		
            
	
            
        
            
        
            
	
            
				
            
					
            
						
            
						
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            LI-6800應(yīng)用案例 |【Nat. Commun.】為什么秈稻比粳稻對(duì)二氧化碳增加更敏感？——分子層面的原因解析
            
        			
            閱讀：116      發(fā)布時(shí)間：2025-3-17
        				
            
							
				
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            原文以Variation in a single allele drives divergent yield responses to elevated CO2 between rice subspecies 為標(biāo)題發(fā)表在Nature Communications（IF=14.7）上
            作者 | Yunlong Liu、Siyu Zhang等


            2025年1月，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁艷鋒教授和李?yuàn)櫧淌趫F(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》期刊上發(fā)表了題為“Variation in a single allele drives divergent yield responses to elevated CO? between rice subspecies"的研究論文。該研究揭示了秈稻和粳稻在大氣CO?施肥效應(yīng)上的響應(yīng)差異，并發(fā)現(xiàn)這一差異與DNR1基因的亞種間變異相關(guān)。研究表明，DNR1基因的變異在高CO?條件下能顯著促進(jìn)秈稻的生長(zhǎng)和氮利用效率，解釋了秈稻比粳稻對(duì)CO?施肥效應(yīng)更敏感的分子機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為培育高氮利用效率、高產(chǎn)且適應(yīng)氣候變化的水稻品種提供了潛在的分子育種靶點(diǎn)，尤其是在全球CO?濃度持續(xù)上升的背景下。



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            自 1958 年以來(lái)，大氣 CO? 濃度已從 315 ppm 上升至 2024 年的 423 ppm，預(yù)計(jì)到 21 世紀(jì)末可能突破 800 ppm。這一增長(zhǎng)主要?dú)w因于化石燃料消耗等人類活動(dòng)。升高的大氣 CO? 濃度（eCO?）通常會(huì)增強(qiáng) C? 植物的光合作用和產(chǎn)量，被稱為 CO?施肥效應(yīng)。全球自由大氣 CO? 升高（FACE）實(shí)驗(yàn)的薈萃分析表明，eCO? 可使水稻光合作用增強(qiáng) 22%，產(chǎn)量提升 14%。

            水稻作為全球近一半人口的主食，提供了約五分之一的膳食能量，其產(chǎn)量變化對(duì)全球糧食安全至關(guān)重要。然而，全球氣候變暖預(yù)計(jì)將導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降，使未來(lái)糧食供應(yīng)面臨挑戰(zhàn)。因此，在這一背景下，CO?濃度的持續(xù)上升成為理解未來(lái)水稻生產(chǎn)趨勢(shì)和糧食安全的關(guān)鍵因素。

            全球約 90% 的水稻種植于亞洲，主要分為兩個(gè)亞種：秈稻（讀音 xiān dào）和 粳稻（讀音 gēng dào）。研究表明，粳稻約在 9000至 6000年前在中國(guó)長(zhǎng)江流域被馴化，現(xiàn)主要種植和消費(fèi)于中國(guó)、日本和韓國(guó)，占這些國(guó)家水稻種植面積的 40%。相比之下，秈稻約在8500 至4500 年前起源于印度恒河流域，并逐漸成為亞洲其他地區(qū)的主導(dǎo)水稻品種。

            秈稻和粳稻在 CO?施肥效應(yīng)上的響應(yīng)存在顯著差異。在 eCO?條件下，秈稻的產(chǎn)量增加約20.4%，而粳稻的增幅僅為12.7%。這一差異可能會(huì)深刻影響未來(lái)全球水稻總產(chǎn)量。若全球水稻品種對(duì)eCO? 的響應(yīng)均類似于粳稻或秈稻，則全球水稻產(chǎn)量的潛在差異可達(dá) 1.09 億噸/年，相當(dāng)于中國(guó)年水稻總產(chǎn)量的一半。然而，導(dǎo)致這一差異的分子機(jī)制仍未被充分研究。


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            DNR1通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)素影響對(duì)NO??的同化，最終決定不同水稻亞種在eCO?條件下的產(chǎn)量出現(xiàn)差異：秈稻受益更大，粳稻反應(yīng)較弱。這可能成為未來(lái)水稻育種改良的重要方向。


            水稻主要通過(guò)硝酸鹽（NO??） 和 銨（NH??） 吸收氮。其中，受根際硝化作用的影響，水稻吸收和利用的氮中最多可有40% 來(lái)自 NO??。相比粳稻，秈稻在 NO??的吸收和同化能力上更強(qiáng)，而兩者對(duì)NH?? 的吸收速率相似。

            實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，粳稻的NO?? 吸收速率顯著低于秈稻，且對(duì)外界 CO? 濃度變化的敏感性較低。在 eCO?條件下，秈稻的NO?? 吸收率增加了69%，而粳稻僅增加了40%（P = 0.001）。然而，在 NH??的吸收方面，兩者的差異并不顯著（P = 0.373）。基于這些結(jié)果，研究者們推測(cè)，NO??利用效率的差異可能是導(dǎo)致秈稻和粳稻在eCO? 條件下產(chǎn)量響應(yīng)差異的關(guān)鍵因素。

            OsNRT1.1B、OsNR2、DULL NITROGEN RESPONSE1 (DNR1)、RNR10 和 MYB61 五個(gè)基因在水稻 NO??利用效率中發(fā)揮重要作用，并且在秈稻與粳稻間存在等位基因變異。

            為了評(píng)估這些基因在 eCO? 條件下的響應(yīng)，研究者采用 自由大氣 CO? 升高（FACE）技術(shù)，在 CO? 濃度提高約 150 ppm 的環(huán)境中，對(duì)典型秈稻品種“揚(yáng)稻 6"（YD6）和典型粳稻品種“中華11"（ZH11）的旗葉進(jìn)行 RNA 測(cè)序分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在eCO? 條件下：DNR1基因的表達(dá)量在秈稻 YD6 葉片中顯著下降，而在粳稻 ZH11 中無(wú)顯著變化。其余四個(gè)基因（OsNRT1.1B、OsNR2、RNR10和MYB61） 在兩種亞種間的表達(dá)變化無(wú)明顯差異。

            進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，DNR1基因在FACE 試驗(yàn)使用的水稻品種間存在不同的等位基因。攜帶秈稻DNR1 等位基因的品種，對(duì)eCO? 的響應(yīng)更強(qiáng)。

            這些發(fā)現(xiàn)表明，DNR1可能是影響秈稻和粳稻在eCO? 條件下產(chǎn)量差異的關(guān)鍵分子調(diào)控因子。 攜帶秈稻 DNR1等位基因的品種，在高 CO? 環(huán)境下表現(xiàn)出更高的硝態(tài)氮利用效率和更顯著的增產(chǎn)潛力。


            關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

            • DNR1是生長(zhǎng)素（Auxin）合成的負(fù)調(diào)控因子，其序列在秈稻和粳稻之間存在變異。
            • 秈稻DNR1 變體降低了DNR1 mRNA 和蛋白豐度，導(dǎo)致生長(zhǎng)素積累增加。
            • 生長(zhǎng)素的提升進(jìn)一步激活了與NO??（硝態(tài)氮）吸收及下游NO?? 同化酶相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄。
            • 這一機(jī)制提高了秈稻的氮利用效率（NUE），最終促進(jìn)了產(chǎn)量增長(zhǎng)。
            • 在eCO? 條件下，秈稻品種YD6（揚(yáng)稻 6）在生物量、氮吸收和產(chǎn)量增幅方面均顯著高于粳稻品種ZH11（中華11）。
            • 這些結(jié)果表明，DNR1變異可能是導(dǎo)致秈稻和粳稻對(duì)eCO? 響應(yīng)差異的關(guān)鍵分子機(jī)制。
            研究意義

            • 本研究揭示了DNR1 變異如何影響秈稻在高CO? 條件下的生長(zhǎng)及氮利用效率，為秈稻比粳稻對(duì)CO? 施肥效應(yīng)更敏感提供了分子機(jī)制解釋。
            • 該發(fā)現(xiàn)為培育高氮利用效率、高產(chǎn)、適應(yīng)氣候變化的水稻品種提供了潛在的分子育種靶點(diǎn)，尤其是在 全球CO? 濃度持續(xù)上升的背景下。


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            LI-6800便攜式光合熒光測(cè)量系統(tǒng)在本研究中的作用

            1. 光響應(yīng)曲線測(cè)定（Light Response）


            • 目標(biāo)參數(shù)：
              • 凈光合速率 (A)
              • 氣孔導(dǎo)度(gs)

            • 光照強(qiáng)度變化梯度：
              • 1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、50、0（單位μmol m?2 s?1）

            • 測(cè)量時(shí)間：
              • 上午8:30 – 11:30

            • 環(huán)境條件控制：
              • 溫度：35°C
              • 相對(duì)濕度：60%
              • CO? 濃度設(shè)置：
                • 大氣CO? 處理 ：400ppm
                • 升高CO? 處理 ：550ppm


            2. CO? 響應(yīng)曲線測(cè)定（A-Ci曲線）


            • 測(cè)量技術(shù)：
              • 使用RACiR（Rapid A-Ci Response）技術(shù)快速測(cè)定CO? 響應(yīng)曲線

            • CO? 梯度：
              • 初始CO? 濃度：50ppm
              • 最終CO? 濃度：1200ppm
              • CO? 遞增速率：300ppm/min

            • 環(huán)境條件控制：
              • 光照強(qiáng)度：1800μmol m?2 s?1（光飽和狀態(tài)）
              • 溫度：35°C
              • 相對(duì)濕度：60%

            • A-Ci 曲線數(shù)據(jù)分析：

              • 計(jì)算最大羧化速率(Vcmax)
              • 計(jì)算最大電子傳遞速率(Jmax)
                計(jì)算基于FvCB光合模型

            3. 實(shí)驗(yàn)意義


            1. LI-6800的快速A-Ci曲線測(cè)量技術(shù)（RACiR）能顯著提高實(shí)驗(yàn)效率
            2. 傳統(tǒng)A-Ci 曲線測(cè)定需要30~60 分鐘，而RACiR 可在2-5 分鐘內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，從而顯著提高了測(cè)量效率。
            2. 精確分析水稻光合生理特性
            3. 通過(guò)光響應(yīng)和CO? 響應(yīng)曲線測(cè)量，深入研究水稻品種對(duì)光照和 CO? 濃度變化的適應(yīng)性，為水稻光合生理特性分析提供精確數(shù)據(jù)。
            5. 揭示eCO? 對(duì)水稻光合性能的影響
            6. 比較秈稻和粳稻在eCO? 條件下的Vcmax、Jmax變化，揭示不同品種對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，從而為水稻育種和氣候變化適應(yīng)性研究提供理論依據(jù)。


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            原文中的主要數(shù)據(jù)圖

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