华中农业大学讯（通讯员 任璐璐）近日，华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心丁广大教授课题组联合国内外多家科研机构，在这一领域取得了重要进展。他们发现并验证了谷氨酰胺合成酶基因BnaA02.GLN1;2在协同提升油菜氮素利用效率（NUE）、籽粒产量和品质方面具有核心作用。相关研究成果以 “Enhanced activity of glutamine synthetase by manipulating a GWAS-identified BnaA02.GLN1;2 gene augments nitrate uptake and yield in Brassica napus”为题发表在国际重要学术期刊Plant Cell ＆ Environment。氮肥的过量施用是我国农业生产中面临的突出问题。油菜作为需氮量大的重要油料作物，如何在降低氮肥投入的同时保持或提高产量，是可持续农业发展的关键挑战。
研究团队首先对505份甘蓝型油菜自然群体进行了氯酸盐（ClO3-）敏感性筛选。氯酸盐因结构类似硝酸盐（NO3-），可被植物作为硝酸盐的“类似物”吸收并还原为有毒的亚氯酸盐，其导致的生长抑制程度可间接反映植株的硝酸盐吸收和还原能力。结果显示，不同油菜基因型间氯酸盐敏感性存在高达10倍的差异，变异系数达到42.1%。
根据氯酸盐敏感性，研究团队筛选出极端敏感的基因型（CSG）和极端不敏感的基因型（CIG）。比较分析发现，在高氮供应下，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%，最终籽粒产量近乎CIG的两倍。值得注意的是，两种基因型间的硝酸还原酶（NR）活性并无显著差异。这一现象表明，决定氯酸盐敏感性的关键可能并非硝酸盐的初始还原步骤，而是下游的铵同化过程。
为进一步验证这一假说，研究团队使用GS特异性抑制剂L-甲硫氨酸亚砜亚胺（MSX）处理植株。结果显示，MSX处理显著降低了GS活性，同时氯酸盐诱导的生长抑制表型得到明显缓解，而NR活性未受显著影响。这一结果表明GS活性与氯酸盐敏感性表型密切相关。
随后，研究人员对CSG和CIG在高低氮条件下的根系蛋白质组进行了比较分析。结果显示，在正常供氮条件下，CSG与CIG之间的差异蛋白主要富集于“氮代谢”通路。其中，BnaA02.GLN1;2（编码细胞质谷氨酰胺合成酶GS1）被鉴定为核心枢纽蛋白，在CSG中丰度显著高于CIG。蛋白互作网络分析进一步表明，该蛋白与多个硝酸盐转运蛋白和氮代谢关键酶高度关联。
通过遗传转化，研究团队在油菜品种Westar 10中过表达了BnaA02.GLN1;2基因。表型分析显示，过表达株系对氯酸盐的敏感性显著增强，同时在高氮条件下的幼苗生长、硝酸盐吸收和同化能力均显著提升。具体而言，与野生型相比，过表达株系地上部干重平均增加56%，根系干重增加67%，NR活性提高约40%，木质部汁液中NO3-浓度也明显升高。
更重要的是，在正常供氮盆栽条件下，BnaA02.GLN1;2过表达株系的成熟期单株产量显著提高，单株角果数、每角粒数和千粒重均有增加。尤为令人振奋的是，过表达株系种子中的芥酸和硫苷含量显著降低，这两个指标正是评价油菜籽食用品质的关键参数。这意味着BnaA02.GLN1;2的过表达不仅能提高氮效率和产量，还能同步改善种子的营养与安全性状，为“双低”油菜育种提供了新路径。
为了揭示BnaA02.GLN1;2基因的自然变异及其育种潜力，研究团队开展了全基因组关联分析（GWAS），在A02染色体上鉴定到一个与氯酸盐敏感性紧密相关的主效QTL。进一步分析显示，该区段内共存在100个基因，其中BnaA02.GLN1;2在氮供应条件下表达上调最为显著。
通过对该基因的启动子和基因组序列进行单倍型分析，研究人员在505份材料中鉴定出11个SNP位点，可将群体划分为3种单倍型。其中，BnaA02.GLN1;2Hap1为优异单倍型，其基因表达水平、GS活性、地上部氮含量均显著高于BnaA02.GLN1;2Hap3。值得注意的是，所有编码区SNP均为同义突变，表明单倍型间功能差异主要源于启动子区的序列变异所导致的转录水平差异，而非酶蛋白功能改变。
综合以上发现，研究团队提出了BnaA02.GLN1;2协同提升氮效率、产量和品质的工作模型：该基因的高表达增强了根系和地上部的GS活性，促进NH4+向谷氨酰胺的高效转化，降低细胞内NH4+浓度，从而解除铵对硝酸盐吸收的反馈抑制，形成一个“吸收—同化—再吸收”的正向循环；同时，谷氨酰胺和谷氨酸含量的增加为氨基酸和蛋白质合成提供了充足的氮骨架，最终促进植株生长、提高产量，并降低了籽粒中有害成分的积累。
图1 BnaA02.GLN1;2协同提升氮效率、产量和品质的工作模型
该研究不仅深化了我们对植物氮素吸收与同化协同调控机制的理解，更为重要的是，提供了可直接用于分子标记辅助选择的优异等位基因BnaA02.GLN1;2Hap1。这一发现为培育“高产、高效、优质”的绿色油菜新品种提供了坚实的理论基础和基因资源。
华中农业大学植物营养生物学团队已毕业博士研究生张浩（现为湖南省棉花与蚕桑研究所助理研究员）和在读博士生任璐璐为论文共同第一作者，丁广大教授为论文通讯作者。华中农业大学徐芳森教授、石磊教授、王创教授、蔡红梅副教授、汪社亮副教授、西南大学刘海疆博士和澳大利亚乐卓博大学Surya Kant高级研究员对该研究提供了指导和帮助。该研究工作得到农业生物育种国家科技重大专项（2023ZD04072）的资助。
华中农业大学植物营养生物学团队丁广大教授课题组长期从事作物养分高效利用与抗逆机制研究，在Molecular Plant、Trends in Plant Science、Journal of Hazardous Materials、Journal of Advanced Research等期刊发表论文50余篇，以第一发明人授权专利7项，主编《土壤肥料学（第三版）》，获植物营养与肥料学会科学技术奖一等奖、湖北省教学成果奖一等奖等各类奖励6项，担任植物营养与肥料学报编委、华中农业大学学报青年编委、中国植物营养与肥料学会青年工作委员会副主任等职。
论文链接：http://doi.org/10.1111/pce.70614
英文摘要：Exploiting natural variation to uncouple yield from nitrogen (N) input is essential for sustainable oilseed rape production. Here, we screened 505 accessions and discovered a 10-fold gradient in chlorate (ClO₃⁻) sensitivity that mirrors genotypic differences in nitrogen use efficiency (NUE). Chlorate-sensitive genotypes (CSG) exhibited 35% higher ¹⁵NO₃⁻ influx, 40–62% greater root glutamine synthetase (GS) activity and almost twice the seed yield of chlorate-insensitive lines (CIG) under high-N supply, whereas nitrate-reductase activity was unchanged. Chemical inhibition of GS with L-methionine-S-sulfoximine (MSX) phenocopied the loss of ClO₃⁻ sensitivity, mechanistically linking assimilation flux to the observed trait variation. Root proteomic analysis identified differential proteins between CSG and CIG and showed that BnaA02.GLN1;2 (a cytosolic GS1 homolog) was a hub protein with higher abundance in CSG. BnaA02.GLN1;2 overexpression enhanced rapeseed chlorate sensitivity under sufficient NO₃⁻, promoted seedling growth and enhanced both NO₃⁻ uptake and assimilation. Mature transgenic plants produced more pods and higher yields under normal N conditions while simultaneously lowering seed erucic acid and glucosinolate concentrations. Genome-wide association study (GWAS) mapped a major QTL on chromosome A02, with BnaA02.GLN1;2 as the causal gene. Eleven SNPs classified BnaA02.GLN1;2 into three haplotypes: BnaA02.GLN1;2Hap1 showed higher gene expression, GS activity and shoot N content than BnaA02.GLN1;2Hap3. Our findings reposition GS1 as a key regulator that coordinates nitrate uptake and assimilation and establish BnaA02.GLN1;2Hap1 as a breeding-ready target to deliver high-yield, low-input rapeseed.
审核人：丁广大
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