近日，南京农业大学丁艳锋教授团队和李姗教授团队联合研究发现，籼稻和粳稻对大气CO2浓度升高响应差异与DNR1的亚种间变异有关。相对于携带粳稻DNR1的水稻品种，携带籼稻DNR1的水稻品种在大气CO2浓度升高下产量提升更显著。相关研究成果以“Variation in a single allele drives divergent yield responses to elevated CO2between rice subspecies”在线发表在《Nature Communications》上。

气候变化日益加剧，大气CO2浓度持续升高，2024年大气CO2浓度已经达到424 ppm。由于当前大气CO2浓度远低于C3植物光合作用的CO2浓度饱和点，大气CO2浓度升高一般提高水稻产量。近几十年的田间开放式大气CO2浓度升高试验（FACE）发现大气CO2浓度升高对籼稻的增产效应大于粳稻，然而这种差异的分子机制尚不清楚。

大气CO2浓度升高一般会刺激C3植物叶片光合作用，但这种刺激效应是受到氮有效性调控的。值得注意的是，粳稻的氮（尤其是硝态氮）吸收和同化能力普遍低于籼稻。通过多品种试验发现大气CO2浓度升高与水稻品种对硝态氮吸收有互作效应，即大气CO2浓度升高对籼稻硝态氮吸收的增加量显著高于粳稻的。大气CO2浓度升高也能促进铵态氮的吸收，但籼稻和粳稻的铵态氮吸收对大气CO2浓度升高的响应没有明显差异。因此，籼稻对大气CO2浓度升高的响应更高可能与籼稻硝态氮吸收能力更强有关。

为了验证这一假设，在FACE平台利用DNR1近等基因系和突变体开展田间试验发现，携带籼稻DNR1（硝态氮吸收高）水稻在大气CO2浓度升高下产量增幅达到22.8–32.3%，但携带粳稻DNR1（硝态氮吸收低）水稻的产量仅增加3.6–11.1%。其机制是：在携带籼稻DNR1的植株中，大气CO2浓度升高大幅降低了DNR1的积累，合成了更多生长素，招募了更多的OsARF6和OsARF17，上调了参与硝态氮代谢相关基因的表达（OsNRT1.1B、OsNRT2.3a、OsNIA2和OsNPF2.4），增加了对硝态氮的吸收和同化，从而大幅增强了叶片光合基因（OsPsaB、OsRbcs和OsSBPase）的表达和光合速率。研究结果证实了籼稻对大气CO2浓度升高的响应更高与硝态氮吸收能力更强有关，籼稻DNR1基因可作为提高粳稻产量和氮肥利用效率的关键育种资源，尤其是在大气CO2浓度持续升高的背景下。

南京农业大学博士研究生刘云龙和钟山青年研究员张思宇博士为论文共同第一作者，丁艳锋教授、李姗教授和江瑜教授为通讯作者。英国Exeter大学Kees Jan van Groenigen教授，美国北卡罗来纳州州立大学胡水金教授，中科院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员，中国农业科学院作物科学研究所张卫建研究员，江西农业大学黄山教授，南京农业大学李刚华教授、刘正辉教授、王松寒教授和钱浩宇副教授等参与了本项研究。研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新基金等项目的资助。