水稻是世界上最重要的粮食作物之一，近年来，氮肥的大量使用极大的提高了水稻产量，但同时，没有被充分利用的氮肥的流失也造成了非常严重的环境问题，如土壤酸性化，水质富营养化。因此，提高水稻的氮素利用效率成了解决这一问题的重要方式。为了研究水稻氮素利用效率自然变异的遗传基础，我们用一套以高氮素利用效率的非洲稻为供体亲本，以对氮素利用效率低的粳稻品种95-22为受体亲本的染色体片段替换系为材料进行筛选。通过一系列的实验，我们得到如下结果: 通过对183个替换系材料进行苗期耐低氮筛选，得到6个耐低氮替换株系，初步定位到三个来自非洲稻的氮素利用效率相关QTL，并将其命名为HEN1 (high eefficient use of nitrogen 1),HEN6 (high efficient use of nitrogen 6),HEN8 (high efficient use of nitrogen 8)。这些含有CG14片段的耐低氮替换系表现为苗期低氮条件相对于正常氮素条件下株高及地上部生物量变化较95-22更低。 将这6个替换系与轮回亲本95-22回交，分别构建BCF2定位群体。选择HEN6进行精细定位，最终定位至51Kb的区域内。该区域包含9个候选基因，我们队这9个基因进行测序并通过qRT-PCR的方式进行表达模式检测，发现其中一个基因编码OsENOD93L蛋白是最好的候选基因，该基因在95-22根部和地上部都高度表达但是在SG94中并未检测到表达，测序结果发现该基因的启动子区在两者之间有非常大的差异。在95-22中用CRISPR-CAS9系统敲除该基因，能显著提高苗期低氮条件下氮素利用效率，表现出与替换系相同的表型，说明替换系与95-22氮素利用效率之间的差异确实由该基因引起。 对SG94与95-22进行代谢组学差异代谢物研究，发现两个替换系中特异性响应低氮条件的代谢物:谷氨酸和琥珀酸，谷氨酸为NH4+通过GS/GOGAT途径固定到植物中的第一个产物，琥珀酸为TCA循环过程中的代谢物质，这两种物质在替换系中积累量降低，说明替换系可能通过这两个途径够加快氮素代谢过程，从而在低氮条件下显示出优势。 为了进一步确认SG94中的高NUE是由氮素吸收还是氮素代谢过程引起，我们对硝酸根进行15N标记。我们发现SG94和基因敲除水稻15N-NO3-24小时标记中地上部15N积累以及Shoot/Root比值相对于95-22更高，但是1.5小时标记并没有这种趋势，说明HEN6可能通过影响NO3-地上部的同化过程来影响氮素利用效率。 通过对SG94、95-22与osenodl进行田间农艺性状考察。发现替SG94与95-22相比在低氮条件相对于正常氮肥培养条件下，在相对叶绿素含量、光合速率、分蘖数、单株产量、小区总产量这些农艺性状指标上，均具有更高的优越性。osenodl株系也表现出分蘖数在低氮条件下明显优于95-22的表型。 本研究通过对氮素利用效率相关QTL HEN6的定位、克隆，及部分功能分析，发现了OsENOD93蛋白通过影响硝酸根在地上部的同化效率来影响苗期表型，同时通过大田实验研究也表明该基因能够影响低氮条件下产量相关农艺性状。
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