学者综述作物氮磷利用效率遗传基础研究进展
近日，华南农业大学教授储成才团队与华中农业大学教授石磊团队等合作，详细梳理了作物氮、磷利用效率遗传基础的研究进展，为可持续农业发展提供新思路。相关综述文章发表于《分子植物》（Molecular Plant）。
记者了解到，文章重点关注关键性状及其相关信号调控网络；系统总结了作物氮磷高效基因的鉴定，并探讨了这些基因自然变异与土壤养分有效性间的关联，从而揭示作物驯化过程中的适应规律；提出了以优化环境与资源协同、平衡产量与品质、培育具有更高氮磷利用效率的作物品种为核心，推动可持续农业发展的策略。
影响作物氮磷利用效率的关键性状。研究团队供图土壤氮磷有效性是决定作物产量的关键因素，但其普遍不足已成为制约全球农业增产的主要限制。为保障粮食供给，氮肥与磷肥的全球施用量分别激增至原来的约9.1倍和4.1倍。然而与之形成巨大反差的是，同期全球耕地的氮利用效率仅微增1.4%，磷利用效率也仅提高36.1%，过量施肥更引发了系列环境问题。现代育种多在高投入条件下以高产为目标，但多项研究表明，高、低投入条件下的作物产量缺乏强相关性。因此，亟需培育在减肥条件下仍能保持高产、提升氮磷利用效率的作物品种。
在国家自然科学基金等项目资助下，研究团队系统总结了目前通过遗传学鉴定的156个氮高效基因与64个磷高效基因。经系统分类，鉴定出13个调控氮利用效率和8个调控磷利用效率的基因家族，这些家族在至少两种作物中均发挥功能，是跨物种改良的潜在靶点。
以水稻为模型分析发现，氮/磷高效基因的自然变异与土壤氮/磷有效性存在关联。TCP19与PSTOL1的优异等位基因频率和土壤总氮含量呈显著负相关，GATA8呈显著正相关；NRT1.1B与RNR10的优异等位基因频率和土壤有效磷含量显著负相关。磷高效基因PSTOL1与氮高效基因NRT1.1B/RNR10分别介导水稻对低氮和低磷土壤的适应，揭示了作物适应本土环境的氮磷协同机制。TCP19/PSTOL1与NRT1.1B/RNR10的优异等位基因在氮、磷充足地区丢失，因此作物育种需在营养充足与限制条件下系统评价品种，重新引入丢失的优异等位基因。
提高氮利用效率，要提高氮吸收效率并优化根系构型。现有氮高效基因型中，36.3%的改良性状源于氮转运蛋白功能增强，但通过根系构型改造培育的案例有限，未来需整合两者，协同提升作物氮吸收并减少土壤氮素流失。提高磷利用效率，关键在于活化土壤中难溶性磷。当前磷高效基因型中仅9.4%的改良性状针对土壤磷有效性，主要通过酸性磷酸酶或植酸酶促进有机磷活化，增加有机酸分泌虽能释放固定态磷，但未成功应用，未来需加强对土壤难溶磷高效活化的研究。
此外，种子蛋白质含量与氮含量呈强正相关，但51.7%的氮高效基因型籽粒氮含量未显著提升甚至下降。磷主要以植酸形式储存，是抗营养素，难以被单胃动物消化，易导致矿物质缺乏及环境污染。现有磷高效基因型中，52.9%的种子磷含量较背景基因型增加，因此需调控关键磷转运蛋白限制磷向籽粒转运，降低籽粒植酸含量。
文章还总结了转基因技术、分子标记辅助选择和基因编辑技术在作物氮磷利用效率改良中的应用进展，并探讨了全基因组选择、基因编辑技术和合成生物学在未来氮磷利用效率改良中的应用前景，为农业可持续发展提供了重要参考。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.12.030
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