近日，我校农学院和智慧农场技术与系统全国重点实验室陈庆山教授团队辛大伟/王锦辉课题组在顶级期刊《Advanced Science》（影响因子14.1）上发表题为“Natural variation ofNAR5 determines nitrogenase activity and the yield in soybean”的研究论文。
该研究克隆了调控大豆根瘤固氮酶活性的主效关键基因NAR5，解析了NAR5通过抑制根瘤衰老正向调控共生固氮效率的分子机制，明确了其启动子区自然变异是决定大豆固氮能力的遗传基础。相关研究成果为大豆高产、氮高效分子设计育种提供了全新的遗传改良靶标，对推动农业可持续发展与减少氮肥施用具有积极意义。
大豆（Glycine max）是人类和畜牧业的重要蛋白质来源，同时也是重要的油料作物。大豆在长期的进化过程中通过与根瘤菌相互作用形成根瘤，通过生物固氮将空气中的氮气高效转化成化合态氮，为大豆生长发育提供60%~70%的氮素需求，使大豆适应低氮环境，维持大豆正常的生长发育，同时决定大豆产量、品质。根瘤固氮酶活性是直接决定共生固氮效率的复杂性状，受大豆自身发育过程的严格调控。但长期以来，调控大豆根瘤固氮酶活性自然变异的主效基因鲜有被克隆与功能验证，其遗传调控机制与分子基础始终未被明确解析。
该研究以东北大豆主产区309份种质资源为材料，结合147份重组自交系群体的QTL定位，在大豆5号染色体上鉴定到一个调控固氮酶活性的关键基因，命名为NAR5（Nitrogenase Activity Related Gene 5）。
单倍型分析表明，NAR5在自然群体中形成两大主要单倍型类群。携带NAR5 HapI的材料固氮酶活性显著高于NAR5 HapII 类群。功能验证证实，编码区氨基酸变异不影响蛋白功能与亚细胞定位，而启动子区的自然多态性是决定NAR5表达差异、进而调控固氮酶活性差异的遗传基础。过表达NAR5可显著提升固氮酶活性、豆血红蛋白含量。
基于3240份大豆种质资源的群体遗传学分析揭示优异单倍型NAR5HapI-1（高固氮酶活性、高百粒重）在野生大豆至现代改良品种的驯化进程比例增加。自第一个杂交大豆品种东农4号育成以来，NAR5HapI-1基因型的占比已由建国初期的约60%，升至2000年后育成品种中的近95%，东农42、中黄13、东农豆252等高产主栽品种均携带此单倍型，表明其在大豆高产育种中受到强烈正向选择。地理分布显示，NAR5单倍型分布与土壤氮含量显著关联，优异单倍型富集增强了大豆的低氮适应性。
2024，2025年连续两季田间试验表明，常规施氮条件下，NAR5过表达株系小区产量较野生型提升12.65%。减氮30%条件下，增产幅度更为突出，苗期生长势、百粒重及单株产量均显著优于对照。
研究鉴定的NAR5基因及其优异单倍型NAR5HapI-1，为大豆高产、氮高效分子育种提供了精准的分子靶点与优异等位变异。基于该基因开发的功能标记，可直接应用于大豆分子标记辅助选择育种，快速培育固氮能力强、化肥需求低、产量潜力高的大豆新品种。降低大豆种植的成本，也契合我国农业“减肥增效”的绿色发展需求，对提升我国大豆自给率、保障国家粮食安全与油料安全具有重要的战略意义。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202521100。
该研究由东北农业大学农学院辛大伟/王锦辉课题组主导完成。王锦辉副教授、辛大伟教授、陈庆山教授及刘春燕教授担任论文通讯作者；东北农业大学农学院博士生马超、硕士研究生赵寒雨、已毕业硕士冯豪杰（现就职于黑龙江省农业科学院）以及博士生董旭伦为论文共同第一作者。本研究获得国家自然科学基金资助
第一作者介绍：
马超简介：2022级博士研究生在读，入选首届中国科协博士生青年托举项目，主要从事大豆-根瘤菌互作、大豆高效氮利用及品种改良相关研究。在Nature Communications、Advanced Science、Plant Communications以及Journal of Hazardous Materials等期刊上以第一作者发表论文6篇，授权发明专利2项。
通讯作者介绍：
王锦辉简介：博士，副教授，硕士研究生导师；主要从事大豆-根瘤菌/微生物组互作、及互作逆境适应与改良工作。目前主持国家自然科学基金1项、省优秀青年基金1项、中国博士后基金1项、省优秀青年教师基础研究支持计划项目1项、参与国家重点研发计划2项；在以第一作者/通讯作者（含共同）在Nature Communications、Molecular Plant、 Advanced Science、 Plant Communications以及Journal of Hazardous Materials等期刊发表论文20篇；授权发明专利4项；参与审定大豆品种2个。
辛大伟简介：九三学社社员，博士，教授，博士研究生导师。香江学者（2013），黑龙江省大豆技术攻关项目技术首席（2024）。现任九三学社东北农业大学委员会主任委员、九三学社省委委员、九三学社省委农林专业委员会副主任委员、黑龙江省第十三届省政协委员、中国智慧工程协会副主任委员。发表论文近50篇，他引次数累计达到200次以上。主编或参编著作3部。参与审东农豆251、东农豆252和东农豆253大豆新品种3个，累计种植1000多万亩，合计经济效益30.72亿元；获批国家发明专利12项，荣获黑龙江省科学技术二等奖1项（2015）、荣获黑龙江省科学技术三等奖1项（2021）。
陈庆山简介：博士，二级教授，博士研究生导师，国家大豆工程技术中心主任，智慧农场与技术系统全国重点实验室副主任，主要从事大豆遗传改良和智慧农业研究。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金区域联合重点等重要项目，发表论文300余篇，其中SCI论文100余篇；主编或参编著作7部；主持审定“东农55”、“东农豆251”、“东农豆252”以及“东农豆253”大豆新品种4个，参加审定品种17个，累计种植2266.93万亩，合计经济效益180.72亿元；获得植物新品种保护权4项、计算机软件著作权7项，申请基因专利4项。
（供稿/农学院）
