近日，華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/微量元素研究中心丁廣大教授課題組在Plant Cell ＆ Environment期刊上發(fā)表題為“Enhanced activity of glutamine synthetase by manipulating a GWAS-identified BnaA02.GLN1;2 gene augments nitrate uptake and yield in Brassica napus”的研究成果。華中農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)生物學團隊已畢業(yè)博士研究生張浩（現(xiàn)為湖南省棉花與蠶桑研究所助理研究員）和在讀博士生任璐璐為論文共同第一作者，丁廣大教授為論文通訊作者。

研究團隊首先對505份甘藍型油菜自然群體進行了氯酸鹽（ClO3-）敏感性篩選。氯酸鹽因結(jié)構(gòu)類似硝酸鹽（NO3-），可被植物作為硝酸鹽的“類似物”吸收并還原為有毒的亞氯酸鹽，其導致的生長抑制程度可間接反映植株的硝酸鹽吸收和還原能力。結(jié)果顯示，不同油菜基因型間氯酸鹽敏感性存在高達10倍的差異，變異系數(shù)達到42.1%。

根據(jù)氯酸鹽敏感性，研究團隊篩選出極端敏感的基因型（CSG）和極端不敏感的基因型（CIG）。比較分析發(fā)現(xiàn)，在高氮供應下，CSG的15NO3-吸收速率比CIG高出35%，根系谷氨酰胺合成酶（GS）活性提升40%~62%，最終籽粒產(chǎn)量近乎CIG的兩倍。值得注意的是，兩種基因型間的硝酸還原酶（NR）活性并無顯著差異。這一現(xiàn)象表明，決定氯酸鹽敏感性的關鍵可能并非硝酸鹽的初始還原步驟，而是下游的銨同化過程。

為進一步驗證這一假說，研究團隊使用GS特異性抑制劑L-甲硫氨酸亞砜亞胺（MSX）處理植株。結(jié)果顯示，MSX處理顯著降低了GS活性，同時氯酸鹽誘導的生長抑制表型得到明顯緩解，而NR活性未受顯著影響。這一結(jié)果表明GS活性與氯酸鹽敏感性表型密切相關。

隨后，研究人員對CSG和CIG在高低氮條件下的根系蛋白質(zhì)組進行了比較分析。結(jié)果顯示，在正常供氮條件下，CSG與CIG之間的差異蛋白主要富集于“氮代謝”通路。其中，BnaA02.GLN1;2（編碼細胞質(zhì)谷氨酰胺合成酶GS1）被鑒定為核心樞紐蛋白，在CSG中豐度顯著高于CIG。蛋白互作網(wǎng)絡分析進一步表明，該蛋白與多個硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白和氮代謝關鍵酶高度關聯(lián)。

通過遺傳轉(zhuǎn)化，研究團隊在油菜品種Westar 10中過表達了BnaA02.GLN1;2基因。表型分析顯示，過表達株系對氯酸鹽的敏感性顯著增強，同時在高氮條件下的幼苗生長、硝酸鹽吸收和同化能力均顯著提升。具體而言，與野生型相比，過表達株系地上部干重平均增加56%，根系干重增加67%，NR活性提高約40%，木質(zhì)部汁液中NO3-濃度也明顯升高。

更重要的是，在正常供氮盆栽條件下，BnaA02.GLN1;2過表達株系的成熟期單株產(chǎn)量顯著提高，單株角果數(shù)、每角粒數(shù)和千粒重均有增加。尤為令人振奮的是，過表達株系種子中的芥酸和硫苷含量顯著降低，這兩個指標正是評價油菜籽食用品質(zhì)的關鍵參數(shù)。這意味著BnaA02.GLN1;2的過表達不僅能提高氮效率和產(chǎn)量，還能同步改善種子的營養(yǎng)與安全性狀，為“雙低”油菜育種提供了新路徑。

為了揭示BnaA02.GLN1;2基因的自然變異及其育種潛力，研究團隊開展了全基因組關聯(lián)分析（GWAS），在A02染色體上鑒定到一個與氯酸鹽敏感性緊密相關的主效QTL。進一步分析顯示，該區(qū)段內(nèi)共存在100個基因，其中BnaA02.GLN1;2在氮供應條件下表達上調(diào)最為顯著。

通過對該基因的啟動子和基因組序列進行單倍型分析，研究人員在505份材料中鑒定出11個SNP位點，可將群體劃分為3種單倍型。其中，BnaA02.GLN1;2Hap1為優(yōu)異單倍型，其基因表達水平、GS活性、地上部氮含量均顯著高于BnaA02.GLN1;2Hap3。值得注意的是，所有編碼區(qū)SNP均為同義突變，表明單倍型間功能差異主要源于啟動子區(qū)的序列變異所導致的轉(zhuǎn)錄水平差異，而非酶蛋白功能改變。

綜合以上發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了BnaA02.GLN1;2協(xié)同提升氮效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的工作模型：該基因的高表達增強了根系和地上部的GS活性，促進NH4+向谷氨酰胺的高效轉(zhuǎn)化，降低細胞內(nèi)NH4+濃度，從而解除銨對硝酸鹽吸收的反饋抑制，形成一個“吸收—同化—再吸收”的正向循環(huán)；同時，谷氨酰胺和谷氨酸含量的增加為氨基酸和蛋白質(zhì)合成提供了充足的氮骨架，最終促進植株生長、提高產(chǎn)量，并降低了籽粒中有害成分的積累。

BnaA02.GLN1;2協(xié)同提升氮效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的工作模型