揭示温带粳稻氮肥利用效率新QTL：从GWAS到育种应用

《BMC Plant Biology》：Unveiling novel QTLs for nitrogen use efficiency in temperate Japonica rice

本研究针对氮肥过量使用引发的环境与经济问题，通过全基因组关联分析（GWAS）在153份温带粳稻资源中鉴定出8个与氮肥利用效率（NUE）相关的QTL，并筛选出OsNAR2.1、OsARF19、OsMADS27等关键候选基因。研究首次报道了chr02:22969295等3个新型位点，为粳稻耐低氮育种提供了分子标记资源，对可持续水稻生产具有重要意义。

　　

引言：氮肥的双刃剑与水稻育种的挑战

氮（N）是水稻生长发育不可或缺的营养元素，自20世纪50年代以来，氮肥的施用显著提升了全球水稻产量。然而，过度依赖化学氮肥已引发一系列环境问题，包括水体富营养化、土壤酸化及温室气体排放，同时增加了农业生产成本。更严峻的是，长期在高氮条件下选育的现代粳稻品种对肥料的响应能力逐渐下降，氮肥利用效率（NUE）从1960年代的15 kg谷物/kg氮降至2000年代的5 kg，加剧了资源浪费与生态压力。在这一背景下，挖掘水稻自身遗传潜力、培育氮高效品种成为实现农业可持续发展的关键。

温带粳稻在适应高纬度地区长日照和低温胁迫的过程中形成了独特的遗传背景，但其种质资源多样性尚未被充分开发。氮利用效率作为复杂数量性状，涉及氮吸收、转运、同化及再分配等多个生理过程，传统育种手段难以精准改良。随着高通量基因分型技术的发展，全基因组关联分析（GWAS）为解析复杂性状的遗传基础提供了有效工具。本研究通过多环境田间试验结合GWAS，旨在揭示温带粳稻NUE的遗传机制，为分子设计育种提供靶点。

关键技术方法

研究团队选取153份温带粳稻种质，利用97,244个SNP进行基因分型，在西班牙Amposta和Sueca两地开展连续两年田间试验，设置低氮（100 kg/ha）与高氮（200 kg/ha）处理，测定单株有效穗数（PD）、穗重（PW）和产量（Y）等表型，计算NUE比率（高氮/低氮表型值）。采用混合线性模型（MLM）进行GWAS，以PCA和亲缘关系矩阵控制群体结构，显著性阈值设定为P<2.57×10^?4。通过LD衰减分析界定QTL区间，结合Nipponbare参考基因组注释筛选候选基因，并利用公共转录组数据验证基因表达模式。

研究结果

1. 表型变异揭示环境与氮肥互作效应

田间数据表明，土壤类型（如黏土与黏壤土）和氮水平显著影响表型表达。Site 3（黏壤土）的穗数均值最高（10.16–10.88），而Site 1和Site 2（黏土）的穗重与产量对氮响应更敏感。相关性分析显示，抽穗期与NUE指标无显著关联（r=-0.03~-0.10），证实表型差异主要源于氮响应而非生育期调节。

2. GWAS鉴定重复性QTL与新型位点

共检测到78个显著标记-性状关联（MTA），聚类为8个QTL，其中14个MTA在至少两个环境中重复出现。穗重NUE相关位点贡献率最高（R²=7.42–17.11%），染色体6上聚集了4个QTL。Violin图显示，优异等位基因（如chr01:33259076、chr09:17345345）可使NUE提升5.1–38%。

3. 系统发育集群凸显遗传潜力

Long grain集群在top 20高效品种中占比最高，且携带更多优异等位基因（如chr02:22969295频率达80–90%），而indica和Bomba集群表现较差。等位基因分布分析表明，优异等位基因的富集与集群NUE表现高度一致。

4. 候选基因功能关联氮代谢通路

在QTL区间内筛选出350个基因，其中OsNAR2.1（氮转运辅助蛋白）、OsARF19（生长素响应因子）和OsMADS27（MADS-box转录因子）与氮信号传导直接相关。转录组数据表明，OsNAR2.1在缺氮根系中表达显著上调，OsMADS27受硝酸盐诱导调控根系构型。

结论与展望

本研究通过多环境GWAS揭示了温带粳稻NUE的遗传架构，首次报道了chr02:22969295等3个新型位点，并明确了OsNAR2.1-OsMADS27-OsARF19模块在氮响应中的核心作用。这些位点与基因为标记辅助选择（MAS）提供了直接靶标，尤其适用于针对Long grain等高效集群的等位基因 pyramiding（基因聚合）。未来需通过基因编辑（如CRISPR/Cas9）验证候选基因功能，并结合基因型-环境互作（G×E）分析优化育种策略。该成果为培育氮高效粳稻品种、实现绿色稻作提供了关键遗传资源。