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重大发现 水稻罕见高产基因可显著提升产量
发布日期:2022-08-03 20:29    点击次数:168

7月22日,《科学》(Science)杂志以研究长文的形式,在线发表了中国农业科学院作物科学研究所周文彬团队的一项新研究。据了解,该研究发现了一个水稻高产基因OsDREB1C,这一基因能够提高作物光合作用利用效率、提高氮素利用率、缩短生育期,更重要的是,可以显著提高作物产量。

 

科研人员进行了多年多点的田间试验,在“日本晴”水稻中增强表达OsDREB1C基因,产量较野生型提高41.3%-68.3%,在“秀水134”水稻中,产量较野生型提高30.1%-41.6%。中国农业科学院作物科学研究所所长、中国科学院院士钱前评价,此次发布的“水稻高产基因”成果,为下一步科研工作提供了重要基因资源和更多生产应用可能。

 

过表达材料(左)、野生型(中)、基因敲除材料(右)田间表型对比,过表达的水稻材料在光下的生长速度比野生型更快。中国农科院供图

 

7年前的一次发现

 

2014年,《自然生物学技术》上的一篇文章引起了周文彬团队的注意。文章通过比较玉米和水稻,发现了调控玉米光合作用的118个转录因子。

 

周文彬介绍,这118个转录因子,在玉米和水稻中有一对一的同源基因。玉米和水稻都是禾本科植物,它们的产量却大相径庭,玉米的产量远高于水稻,几乎是水稻的两倍。这是因为,它们具有不同的光合作用方式,玉米是碳四作物,其最大的特点,是较碳三作物(如水稻、小麦等)具有更高的光合效率、氮素利用效率和水分利用效率。

 

这些功能,恰恰和产量密切相关,光合作用将空气中的二氧化碳同化为有机物,是作物生物量和产量的基础。氮素则是叶绿素、蛋白质、核酸及代谢物的重要组成部分,也是产量形成的主要限制因子。

 

引起科学家们注意的是,同样存在于玉米和水稻中的同源基因,为何会产生巨大的差别?

两个团队研究人员承担了最初的鉴定任务,他们是中国农业科学院作物科学研究所博士研究生魏少博和李霞博士,也是该论文的共同第一作者。

 

这是一场漫长的发现之旅,魏少博告诉记者,在不断的鉴定和分析中,他们几度面临放弃的境地,但最终都坚持了下来。命运眷顾了他们,他们在水稻中,鉴定到了一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C。

 

就是这个小小的转录因子,可能将是大幅度提高水稻产量的契机。

 

高产仍是最重要的追求

 

中国有14亿人,占全球19%左右,但中国的耕地,只有全球的7%左右。这个庞大的国度,真正告别饥饿仅仅不到40年。尤其是近年以来,全球受饥饿影响的人正在逐渐变多。最新发布的《2022年世界粮食安全和营养状况》报告指出,2021年全球受饥饿影响的人数达8.28亿,世界粮食安全面临着巨大挑战。

 

因此,在农业育种、尤其是粮食育种中,高产仍旧是最重要的追求之一。

 

周文彬介绍,二十世纪六十年代,“绿色革命”开始,通过半矮化育种、杂交育种等品种选育,以及栽培管理技术的提升,作物产量实现了大幅度提升。

 

然而,近年来,这种增长正在进入平台期,单产的增幅正在变得缓慢,“全球约24%-39%的玉米、水稻、小麦以及大豆种植区域单产处于停滞不前甚至下降的态势。”

 

与此同时,大量使用氮肥,仍是当前农作物增产的重要措施之一。但过量的氮肥使用,不仅不利于增产,反而会带来日益明显的负面作用,包括环境污染问题、作物“贪青晚熟”问题。其中,“贪青晚熟”可能会影响复种,进而影响到总体产量。

 

全球粮食生产的重重困境,使得作物大幅增产的需求和氮肥高效利用的需求日益迫切,这也是当前农业科学研究中的难点和热点。

 

OsDREB1C的发现,给破解这些难题带来了曙光。

 

田间漫长的验证

 

鉴定完成后,是更加漫长的试验过程。

 

周文彬告诉记者,团队科研人员选取了两个品种做试验,一个是日本晴,这是水稻研究中的模式作物,因为它的全基因组序列已经测序完成,是优良的试验对象。另一个品种,是当前生产中正在使用的“秀水134”,这是一种常规粳稻品种,亩产可以达到600公斤。

 

在北京顺义的作科所基地中,目前正种植着其中一种试验材料——日本晴。尽管还在苗期,但稻田中的作物长势,已经可以用肉眼分辨出来。

 

周文彬告诉记者,通过现代基因工程技术手段,科研人员构建了敲除该基因的材料以及过表达的材料,将它们和未进行操作的野生型进行对比。

 

结果显示,过表达该基因的水稻材料,在光下的生长速度比野生型更快,光合作用速率显著提升,籽粒的灌浆速率更快。与此同时,在大田试验中,科研人员还发现,过表达材料对氮素的利用效率显著提升,在不施氮、中等施氮、高氮肥的三块试验田中,在不施氮肥的条件下,过表达材料的产量可以达到甚至超过中等施氮条件下野生型的产量。

 

“我们有望实现减氮高产的目标。”周文彬说。

 

在北京、杭州、三亚等地,科研人员进行了多年、多点的田间试验,结果发现,在日本晴过表达OsDREB1C之后,在北京可以实现显著增产,小区增产幅度达41.3%-68.3%。而秀水134在杭州可以实现30.1%-41.6%的增产。同时,两种试验材料,均有不同程度的早熟效果。

 

水稻增产的新途径?

 

周文彬表示,新的研究,创新了作物高产的理论,同时也证实了一个基因调控多种生理功能的可能,OsDREB1C在水稻中的过表达,具有光合效率高效、氮肥高效、早熟的三重效果,在提升水稻产量、降低氮肥使用、解决作物复种中茬口偏紧等实际农业生产问题中,都有重要的作用。此外,OsDREB1C在小麦中也同样存在高产早熟的保守性功能,使其具有广泛应用潜力和发展前景。

 

该论文的三位评审,都对这一发现给予充分的肯定,其中一位评审认为,“该研究的增产效果是了不起的、激动人心的,并具有潜在影响力的,如果将其应用到实际农业生产中,必将进一步推动水稻的可持续集约化生产。”

 

中国农业科学院原副院长、中国工程院院士万建民表示,“该基因的发现,给我们提供了一个新的研究材料和基因资源,同时也给我们提供了无限的可能,但是下一步,还是需要科学组织,加快育种应用。”

 

中国科学院院士杨维才也表示,“这是我国水稻研究成果里又一项重要发现,为培育更加高产、氮素高效利用以及早熟作物品种提供了重要的基因资源。”

 

不过,从新发现,到真正应用于实践,仍有很长的距离,中国农业科学院作物科学研究所所长、中国科学院院士钱前表示,此基因的发现“确实是育种的新曙光,在未来,更需要做的是尽快把理论变成实际,用更快的速度实现应用”。

 

新京报记者 周怀宗

编辑 张树婧 校对 陈荻雁