（来源：小麦研究联盟）

氮素是作物生长发育所必需的大量营养元素。然而，作物对氮肥的利用率仅为约50%，大量施用的氮肥通过挥发、径流和淋溶等途径流失，不仅增加了生产成本，还对生态系统和人类健康构成威胁。小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其氮利用效率的遗传改良是保障粮食安全和农业可持续发展的关键。然而，长期的驯化和现代育种已导致小麦遗传多样性严重狭窄，制约了耐低氮性状的选育。因此，拓展小麦基因库、挖掘野生近缘种的优异耐逆基因，已成为当前小麦改良的核心方向之一。

近日，东北师范大学欧秀芳副教授团队在The Crop Journal在线发表了题为“Polyploidy, genome composition, and dynamic gene regulatory coordination underpin low nitrogen tolerance in synthetic tetraploid wheats”的研究论文。该研究利用携带Sitopsis组山羊草属（S亚基因组）的合成四倍体小麦，揭示了多倍化与S亚基因组协同驱动小麦耐低氮性的生理与分子机制。

为探究多倍化与基因组组成对小麦耐低氮性的影响，研究团队以两种携带不同S亚基因组的合成四倍体小麦（STW：SshSshAmAm，SshSsh源自沙融山羊草；SlSlAA，SlSl源自长穗山羊草）为材料，与其二倍体亲本及天然四倍体小麦（NTW，硬粒小麦BBAA）进行系统比较。结果表明，SshSshAmAm通过根系形态可塑性和高效的氮素吸收，在生长早期表现出优异的低氮耐受性；而SlSlAA则通过维持光合作用和增加氮素储存，在生长后期表现出更强的耐受性。相比之下，天然四倍体小麦在低氮条件下表现出产量与胁迫之间的权衡关系（图1）。

图1 合成四倍体小麦低氮耐受的生理与分子机制

为揭示S亚基因组驱动的分子调控机制，研究团队对根系中10个关键的NPF/NRT2硝酸盐转运蛋白基因进行了表达分析。结果表明，低氮胁迫触发了亚基因组特异、倍性依赖和谱系分化的表达响应（图2）。S基因组二倍体亲本在低氮条件下表现出最活跃的转录响应，而天然四倍体小麦的响应最弱，说明驯化过程已削弱了其胁迫响应可塑性。进一步的基因启动子序列分析发现，S基因组二倍体携带的顺式调控元件在B亚基因组中完全缺失、在A基因组中也极少存在，这些元件与非生物胁迫响应、植物激素信号及生长发育密切相关，构成了S基因组材料在低氮胁迫下表现出更强转录可塑性的关键调控基础。

图2 在正常（NN）和低氮（LN）条件下NPF/NRT2硝酸盐转运蛋白基因的表达

NPF/NRT2硝酸盐转运蛋白基因表达与根系形态及N吸收/转运的相关性分析进一步揭示，低氮胁迫重塑了NPF/NRT2与根系形态和氮代谢性状之间的关联网络。在低氮条件下，6个核心基因（NPF4.1、NPF6.1、NPF6.2、NPF7.1、NRT2.1和NRT2.5）与根系形态性状呈更强的负相关，而与地上部和根部氮含量呈显著正相关（图3）。这一结果表明，这些基因可能驱动资源从根系发育向转运蛋白介导的氮吸收与转运过程的重新分配。综上，S亚基因组编码的NPF/NRT2转运蛋白基因因其独特的顺式调控元件组成，在低氮胁迫下表现出更强的转录可塑性，并通过重塑与根系形态及氮代谢性状的关联网络，驱动资源从根系发育向氮吸收/转运的重新分配，从而构成低氮适应的关键分子基础。

图3 在正常（NN）和低氮（LN）条件下根系NPF/NRT2基因表达模式与根系形态性状及植株氮含量的相关性

作者和基金项目

东北师范大学博士后李过、博士生连涛涛和本科生齐梦瑶为该文共同第一作者，欧秀芳副教授为通信作者，杨春武教授和刘宝教授为论文共同作者。该研究得到国家重点研发计划项目（2022YFF1003303）、吉林省科技厅项目（20250102263JC）和中央高校基本科研业务费（2412025QG003）的资助。