2022-08-04 09:44:58
近日，《科學》（Science）雜志以研究長文的形式，在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院作物科學研究所周文彬團隊的一項新研究。據了解，該研究發(fā)現了一個水稻高產基因OsDREB1C，這一基因能夠提高作物光合作用利用效率、提高氮素利用率、縮短生育期，更重要的是，可以顯著提高作物產量。
科研人員進行了多年多點的田間試驗，在“日本晴”水稻中增強表達OsDREB1C基因，產量較野生型提高41.3%-68.3%，在“秀水134”水稻中，產量較野生型提高30.1%-41.6%。中國農業(yè)科學院作物科學研究所所長、中國科學院院士錢前評價，此次發(fā)布的“水稻高產基因”成果，為下一步科研工作提供了重要基因資源和更多生產應用可能。
Δ過表達材料（左）、野生型（中）、基因敲除材料（右）田間表型對比，過表達的水稻材料在光下的生長速度比野生型更快。中國農科院供圖
7年前的一次發(fā)現
2014年，《自然生物學技術》上的一篇文章引起了周文彬團隊的注意。文章通過比較玉米和水稻，發(fā)現了調控玉米光合作用的118個轉錄因子。
周文彬介紹，這118個轉錄因子，在玉米和水稻中有一對一的同源基因。玉米和水稻都是禾本科植物，它們的產量卻大相徑庭，玉米的產量遠高于水稻，幾乎是水稻的兩倍。這是因為，它們具有不同的光合作用方式，玉米是碳四作物，其最大的特點，是較碳三作物（如水稻、小麥等）具有更高的光合效率、氮素利用效率和水分利用效率。
這些功能，恰恰和產量密切相關，光合作用將空氣中的二氧化碳同化為有機物，是作物生物量和產量的基礎。氮素則是葉綠素、蛋白質、核酸及代謝物的重要組成部分，也是產量形成的主要限制因子。
引起科學家們注意的是，同樣存在于玉米和水稻中的同源基因，為何會產生巨大的差別？
兩個團隊研究人員承擔了最初的鑒定任務，他們是中國農業(yè)科學院作物科學研究所博士研究生魏少博和李霞博士，也是該論文的共同第一作者。
這是一場漫長的發(fā)現之旅，魏少博告訴記者，在不斷的鑒定和分析中，他們幾度面臨放棄的境地，但最終都堅持了下來。命運眷顧了他們，他們在水稻中，鑒定到了一個同時受光和低氮誘導表達的轉錄因子OsDREB1C。
就是這個小小的轉錄因子，可能將是大幅度提高水稻產量的契機。
高產仍是最重要的追求
中國有14億人，占全球19%左右，但中國的耕地，只有全球的7%左右。這個龐大的國度，真正告別饑餓僅僅不到40年。尤其是近年以來，全球受饑餓影響的人正在逐漸變多。最新發(fā)布的《2022年世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》報告指出，2021年全球受饑餓影響的人數達8.28億，世界糧食安全面臨著巨大挑戰(zhàn)。
因此，在農業(yè)育種、尤其是糧食育種中，高產仍舊是最重要的追求之一。
周文彬介紹，二十世紀六十年代，“綠色革命”開始，通過半矮化育種、雜交育種等品種選育，以及栽培管理技術的提升，作物產量實現了大幅度提升。
然而，近年來，這種增長正在進入平臺期，單產的增幅正在變得緩慢，“全球約24%-39%的玉米、水稻、小麥以及大豆種植區(qū)域單產處于停滯不前甚至下降的態(tài)勢。”
與此同時，大量使用氮肥，仍是當前農作物增產的重要措施之一。但過量的氮肥使用，不僅不利于增產，反而會帶來日益明顯的負面作用，包括環(huán)境污染問題、作物“貪青晚熟”問題。其中，“貪青晚熟”可能會影響復種，進而影響到總體產量。
全球糧食生產的重重困境，使得作物大幅增產的需求和氮肥高效利用的需求日益迫切，這也是當前農業(yè)科學研究中的難點和熱點。
OsDREB1C的發(fā)現，給破解這些難題帶來了曙光。
田間漫長的驗證
鑒定完成后，是更加漫長的試驗過程。
周文彬告訴記者，團隊科研人員選取了兩個品種做試驗，一個是日本晴，這是水稻研究中的模式作物，因為它的全基因組序列已經測序完成，是優(yōu)良的試驗對象。另一個品種，是當前生產中正在使用的“秀水134”，這是一種常規(guī)粳稻品種，畝產可以達到600公斤。
在北京順義的作科所基地中，目前正種植著其中一種試驗材料——日本晴。盡管還在苗期，但稻田中的作物長勢，已經可以用肉眼分辨出來。
周文彬告訴記者，通過現代基因工程技術手段，科研人員構建了敲除該基因的材料以及過表達的材料，將它們和未進行操作的野生型進行對比。
結果顯示，過表達該基因的水稻材料，在光下的生長速度比野生型更快，光合作用速率顯著提升，籽粒的灌漿速率更快。與此同時，在大田試驗中，科研人員還發(fā)現，過表達材料對氮素的利用效率顯著提升，在不施氮、中等施氮、高氮肥的三塊試驗田中，在不施氮肥的條件下，過表達材料的產量可以達到甚至超過中等施氮條件下野生型的產量。
“我們有望實現減氮高產的目標。”周文彬說。
在北京、杭州、三亞等地，科研人員進行了多年、多點的田間試驗，結果發(fā)現，在日本晴過表達OsDREB1C之后，在北京可以實現顯著增產，小區(qū)增產幅度達41.3%-68.3%。而秀水134在杭州可以實現30.1%-41.6%的增產。同時，兩種試驗材料，均有不同程度的早熟效果。
水稻增產的新途徑？
周文彬表示，新的研究，創(chuàng)新了作物高產的理論，同時也證實了一個基因調控多種生理功能的可能，OsDREB1C在水稻中的過表達，具有光合效率高效、氮肥高效、早熟的三重效果，在提升水稻產量、降低氮肥使用、解決作物復種中茬口偏緊等實際農業(yè)生產問題中，都有重要的作用。此外，OsDREB1C在小麥中也同樣存在高產早熟的保守性功能，使其具有廣泛應用潛力和發(fā)展前景。
該論文的三位評審，都對這一發(fā)現給予充分的肯定，其中一位評審認為，“該研究的增產效果是了不起的、激動人心的，并具有潛在影響力的，如果將其應用到實際農業(yè)生產中，必將進一步推動水稻的可持續(xù)集約化生產?！?/p>
中國農業(yè)科學院原副院長、中國工程院院士萬建民表示，“該基因的發(fā)現，給我們提供了一個新的研究材料和基因資源，同時也給我們提供了無限的可能，但是下一步，還是需要科學組織，加快育種應用。”
中國科學院院士楊維才也表示，“這是我國水稻研究成果里又一項重要發(fā)現，為培育更加高產、氮素高效利用以及早熟作物品種提供了重要的基因資源。”
不過，從新發(fā)現，到真正應用于實踐，仍有很長的距離，中國農業(yè)科學院作物科學研究所所長、中國科學院院士錢前表示，此基因的發(fā)現“確實是育種的新曙光，在未來，更需要做的是盡快把理論變成實際，用更快的速度實現應用”。
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