近日，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院和智慧農(nóng)場技術(shù)與系統(tǒng)全國重點實驗室陳慶山教授團隊辛大偉/王錦輝課題組在頂級期刊《Advanced Science》上發(fā)表題為“Natural variation ofNAR5 determines nitrogenase activity and the yield in soybean”的研究論文。王錦輝副教授、辛大偉教授、陳慶山教授及劉春燕教授擔(dān)任論文通訊作者；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士生馬超、碩士研究生趙寒雨、已畢業(yè)碩士馮豪杰（現(xiàn)就職于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）以及博士生董旭倫為論文共同第一作者。

該研究克隆了調(diào)控大豆根瘤固氮酶活性的主效關(guān)鍵基因NAR5，解析了NAR5通過抑制根瘤衰老正向調(diào)控共生固氮效率的分子機制，明確了其啟動子區(qū)自然變異是決定大豆固氮能力的遺傳基礎(chǔ)。

該研究以東北大豆主產(chǎn)區(qū)309份種質(zhì)資源為材料，結(jié)合147份重組自交系群體的QTL定位，在大豆5號染色體上鑒定到一個調(diào)控固氮酶活性的關(guān)鍵基因，命名為NAR5。

單倍型分析表明，NAR5在自然群體中形成兩大主要單倍型類群。攜帶NAR5HapI的材料固氮酶活性顯著高于NAR5 HapII類群。功能驗證證實，編碼區(qū)氨基酸變異不影響蛋白功能與亞細(xì)胞定位，而啟動子區(qū)的自然多態(tài)性是決定NAR5表達差異、進而調(diào)控固氮酶活性差異的遺傳基礎(chǔ)。過表達NAR5可顯著提升固氮酶活性、豆血紅蛋白含量。

基于3240份大豆種質(zhì)資源的群體遺傳學(xué)分析揭示優(yōu)異單倍型NAR5HapI-1（高固氮酶活性、高百粒重）在野生大豆至現(xiàn)代改良品種的馴化進程比例增加。自第一個雜交大豆品種東農(nóng)4號育成以來，NAR5HapI-1基因型的占比已由建國初期的約60%，升至2000年后育成品種中的近95%，東農(nóng)42、中黃13、東農(nóng)豆252等高產(chǎn)主栽品種均攜帶此單倍型，表明其在大豆高產(chǎn)育種中受到強烈正向選擇。地理分布顯示，NAR5單倍型分布與土壤氮含量顯著關(guān)聯(lián)，優(yōu)異單倍型富集增強了大豆的低氮適應(yīng)性。

2024，2025年連續(xù)兩季田間試驗表明，常規(guī)施氮條件下，NAR5過表達株系小區(qū)產(chǎn)量較野生型提升12.65%。減氮30%條件下，增產(chǎn)幅度更為突出，苗期生長勢、百粒重及單株產(chǎn)量均顯著優(yōu)于對照。