2022-08-04 09:44:58
近日，《科學(xué)》（Science）雜志以研究長文的形式，在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所周文彬團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新研究。據(jù)了解，該研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)水稻高產(chǎn)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(chǎn)量。
科研人員進(jìn)行了多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)，在“日本晴”水稻中增強(qiáng)表達(dá)OsDREB1C基因，產(chǎn)量較野生型提高41.3%-68.3%，在“秀水134”水稻中，產(chǎn)量較野生型提高30.1%-41.6%。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長、中國科學(xué)院院士錢前評價(jià)，此次發(fā)布的“水稻高產(chǎn)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(chǎn)應(yīng)用可能。
Δ過表達(dá)材料（左）、野生型（中）、基因敲除材料（右）田間表型對比，過表達(dá)的水稻材料在光下的生長速度比野生型更快。中國農(nóng)科院供圖
7年前的一次發(fā)現(xiàn)
2014年，《自然生物學(xué)技術(shù)》上的一篇文章引起了周文彬團(tuán)隊(duì)的注意。文章通過比較玉米和水稻，發(fā)現(xiàn)了調(diào)控玉米光合作用的118個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。
周文彬介紹，這118個(gè)轉(zhuǎn)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(chǎn)量卻大相徑庭，玉米的產(chǎn)量遠(yuǎn)高于水稻，幾乎是水稻的兩倍。這是因?yàn)?，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(diǎn)，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(chǎn)量密切相關(guān)，光合作用將空氣中的二氧化碳同化為有機(jī)物，是作物生物量和產(chǎn)量的基礎(chǔ)。氮素則是葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸及代謝物的重要組成部分，也是產(chǎn)量形成的主要限制因子。
引起科學(xué)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(huì)產(chǎn)生巨大的差別？
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)研究人員承擔(dān)了最初的鑒定任務(wù)，他們是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)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(xiàn)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(jiān)持了下來。命運(yùn)眷顧了他們，他們在水稻中，鑒定到了一個(gè)同時(shí)受光和低氮誘導(dǎo)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C。
就是這個(gè)小小的轉(zhuǎn)錄因子，可能將是大幅度提高水稻產(chǎn)量的契機(jī)。
高產(chǎn)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(gè)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(bào)告指出，2021年全球受饑餓影響的人數(shù)達(dá)8.28億，世界糧食安全面臨著巨大挑戰(zhàn)。
因此，在農(nóng)業(yè)育種、尤其是糧食育種中，高產(chǎn)仍舊是最重要的追求之一。
周文彬介紹，二十世紀(jì)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(shù)的提升，作物產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了大幅度提升。
然而，近年來，這種增長正在進(jìn)入平臺(tái)期，單產(chǎn)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(chǎn)處于停滯不前甚至下降的態(tài)勢?！?/p>
與此同時(shí)，大量使用氮肥，仍是當(dāng)前農(nóng)作物增產(chǎn)的重要措施之一。但過量的氮肥使用，不僅不利于增產(chǎn)，反而會(huì)帶來日益明顯的負(fù)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(huì)影響復(fù)種，進(jìn)而影響到總體產(chǎn)量。
全球糧食生產(chǎn)的重重困境，使得作物大幅增產(chǎn)的需求和氮肥高效利用的需求日益迫切，這也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
OsDREB1C的發(fā)現(xiàn)，給破解這些難題帶來了曙光。
田間漫長的驗(yàn)證
鑒定完成后，是更加漫長的試驗(yàn)過程。
周文彬告訴記者，團(tuán)隊(duì)科研人員選取了兩個(gè)品種做試驗(yàn)，一個(gè)是日本晴，這是水稻研究中的模式作物，因?yàn)樗娜蚪M序列已經(jīng)測序完成，是優(yōu)良的試驗(yàn)對象。另一個(gè)品種，是當(dāng)前生產(chǎn)中正在使用的“秀水134”，這是一種常規(guī)粳稻品種，畝產(chǎn)可以達(dá)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(yàn)材料——日本晴。盡管還在苗期，但稻田中的作物長勢，已經(jīng)可以用肉眼分辨出來。
周文彬告訴記者，通過現(xiàn)代基因工程技術(shù)手段，科研人員構(gòu)建了敲除該基因的材料以及過表達(dá)的材料，將它們和未進(jìn)行操作的野生型進(jìn)行對比。
結(jié)果顯示，過表達(dá)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(shí)，在大田試驗(yàn)中，科研人員還發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)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(yàn)田中，在不施氮肥的條件下，過表達(dá)材料的產(chǎn)量可以達(dá)到甚至超過中等施氮條件下野生型的產(chǎn)量。
“我們有望實(shí)現(xiàn)減氮高產(chǎn)的目標(biāo)?！敝芪谋蛘f。
在北京、杭州、三亞等地，科研人員進(jìn)行了多年、多點(diǎn)的田間試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在日本晴過表達(dá)OsDREB1C之后，在北京可以實(shí)現(xiàn)顯著增產(chǎn)，小區(qū)增產(chǎn)幅度達(dá)41.3%-68.3%。而秀水134在杭州可以實(shí)現(xiàn)30.1%-41.6%的增產(chǎn)。同時(shí)，兩種試驗(yàn)材料，均有不同程度的早熟效果。
水稻增產(chǎn)的新途徑？
周文彬表示，新的研究，創(chuàng)新了作物高產(chǎn)的理論，同時(shí)也證實(shí)了一個(gè)基因調(diào)控多種生理功能的可能，OsDREB1C在水稻中的過表達(dá)，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(chǎn)量、降低氮肥使用、解決作物復(fù)種中茬口偏緊等實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題中，都有重要的作用。此外，OsDREB1C在小麥中也同樣存在高產(chǎn)早熟的保守性功能，使其具有廣泛應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。
該論文的三位評審，都對這一發(fā)現(xiàn)給予充分的肯定，其中一位評審認(rèn)為，“該研究的增產(chǎn)效果是了不起的、激動(dòng)人心的，并具有潛在影響力的，如果將其應(yīng)用到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，必將進(jìn)一步推動(dòng)水稻的可持續(xù)集約化生產(chǎn)?！?/p>
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院原副院長、中國工程院院士萬建民表示，“該基因的發(fā)現(xiàn)，給我們提供了一個(gè)新的研究材料和基因資源，同時(shí)也給我們提供了無限的可能，但是下一步，還是需要科學(xué)組織，加快育種應(yīng)用?！?/p>
中國科學(xué)院院士楊維才也表示，“這是我國水稻研究成果里又一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，為培育更加高產(chǎn)、氮素高效利用以及早熟作物品種提供了重要的基因資源?！?/p>
不過，從新發(fā)現(xiàn)，到真正應(yīng)用于實(shí)踐，仍有很長的距離，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長、中國科學(xué)院院士錢前表示，此基因的發(fā)現(xiàn)“確實(shí)是育種的新曙光，在未來，更需要做的是盡快把理論變成實(shí)際，用更快的速度實(shí)現(xiàn)應(yīng)用”。
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