We report here the genome-wide changes resulting from low N (N-W+), low water (N+W-)) and dual stresses (N-W-) in root and shoot tissues of two rice genotypes, namely, IR 64 (IR64) and Nagina 22 (N22), and their association with the QTLs for nitrogen use efficiency. For all the root parameters, except for root length under N-W+, N22 performed better than IR64. Chlorophyll a, b and carotenoid content were higher in IR64 under N+W+ treatment and N-W+ and N+W- stresses; however, under dual stress, N22 had higher chlorophyll b content. While nitrite reductase, glutamate synthase (GS) and citrate synthase assays showed better specific activity in IR64, glutamate dehydrogenase showed better specific activity in N22 under dual stress (N-W-); the other N and C assimilating enzymes showed similar but low specific activities in both the genotypes. A total of 8926 differentially expressed genes (DEGs) were identified compared to optimal (N+W+) condition from across all treatments. While 1174, 698 and 903 DEGs in IR64 roots and 1197, 187 and 781 in N22 roots were identified, nearly double the number of DEGs were found in the shoot tissues; 3357, 1006 and 4005 in IR64 and 4004, 990 and 2143 in N22, under N-W+, N+W- and N-W- treatments, respectively. IR64 and N22 showed differential expression in 15 and 11 N-transporter genes respectively, under one or more stress treatments, out of which four showed differential expression also in N+W- condition. The negative regulators of N- stress, e.g., NIGT1, OsACTPK1 and OsBT were downregulated in IR64 while in N22, OsBT was not downregulated. Overall, N22 performed better under dual stress conditions owing to its better root architecture, chlorophyll and porphyrin synthesis and oxidative stress management. We identified 12 QTLs for seed and straw N content using 253 recombinant inbred lines derived from IR64 and N22 and a 5K SNP array. The QTL hotspot region on chromosome 6 comprised of 61 genes, of which, five were DEGs encoding for UDP-glucuronosyltransferase, serine threonine kinase, anthocyanidin 3-O-glucosyltransferase, and nitrate induced proteins. The DEGs, QTLs and candidate genes reported in this study can serve as a major resource for both rice improvement and functional biology.

我们在此报告了两种水稻基因型，即 IR 64 (IR64) 根和芽组织中低氮 (N-W+)、低水分 (N+W-)) 和双重胁迫 (NW-) 导致的全基因组变化) 和 Nagina 22 (N22)，以及它们与氮利用效率 QTL 的关联。对于所有根参数，除了 N-W+ 下的根长度，N22 的表现优于 IR64。IR64在N+W+处理和N-W+和N+W-胁迫下叶绿素a、b和类胡萝卜素含量较高；然而，在双重胁迫下，N22 的叶绿素 b 含量较高。虽然亚硝酸还原酶、谷氨酸合酶 (GS) 和柠檬酸合酶测定在 IR64 中显示出更好的比活性，但谷氨酸脱氢酶在双重胁迫 (NW-) 下的 N22 中显示出更好的比活性；其他 N 和 C 同化酶在两种基因型中表现出相似但低的比活性。与来自所有处理的最佳 (N+W+) 条件相比，共鉴定了 8926 个差异表达基因 (DEG)。IR64 根中有 1174、698 和 903 个 DEG，N22 根中有 1197、187 和 781 个，但在芽组织中发现的 DEG 数量几乎翻了一番；在 N-W+、N+W- 和 NW- 处理下，IR64 中的 3357、1006 和 4005 和 N22 中的 4004、990 和 2143。在一种或多种胁迫处理下，IR64 和 N22 分别在 15 和 11 个 N-转运蛋白基因中表现出差异表达，其中 4 个在 N+W- 条件下也表现出差异表达。N-应力的负调节因子，例如，在 N22 根中鉴定了 187 和 781，在芽组织中发现的 DEG 数量几乎翻了一番；在 N-W+、N+W- 和 NW- 处理下，IR64 中的 3357、1006 和 4005 和 N22 中的 4004、990 和 2143。在一种或多种胁迫处理下，IR64 和 N22 分别在 15 和 11 个 N-转运蛋白基因中表现出差异表达，其中 4 个在 N+W- 条件下也表现出差异表达。N-应力的负调节因子，例如，在 N22 根中鉴定了 187 和 781，在芽组织中发现的 DEG 数量几乎翻了一番；在 N-W+、N+W- 和 NW- 处理下，IR64 中的 3357、1006 和 4005 和 N22 中的 4004、990 和 2143。在一种或多种胁迫处理下，IR64 和 N22 分别在 15 和 11 个 N-转运蛋白基因中表现出差异表达，其中 4 个在 N+W- 条件下也表现出差异表达。N-应力的负调节因子，例如，NIGT1、OsACTPK1和OsBT在 IR64 中下调，而在 N22 中，OsBT未下调。总的来说，N22 在双重胁迫条件下表现更好，因为它具有更好的根结构、叶绿素和卟啉合成以及氧化应激管理。我们使用源自 IR64 和 N22 的 253 个重组自交系和 5K SNP 阵列鉴定了 12 个种子和秸秆 N 含量的 QTL。6号染色体上的QTL热点区域由61个基因组成，其中5个是编码UDP-葡萄糖醛酸基转移酶、丝氨酸苏氨酸激酶、花色素3-O-葡萄糖基转移酶和硝酸盐诱导蛋白的DEGs。本研究报道的DEGs、QTLs和候选基因可以作为水稻改良和功能生物学的主要资源。