近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所周文彬研究員領(lǐng)銜，在水稻中研究發(fā)現(xiàn)了水稻高產(chǎn)基因(OsDREB1C)，能夠同時提高光合作用效率和氮素利用效率，可顯著提高作物產(chǎn)量。此外，OsDREB1C 可使水稻提前抽穗，縮短生育期。該研究為培育更加高產(chǎn)、氮肥高效以及早熟的作物品種提供了重要基因資源，為實現(xiàn)作物高產(chǎn)和資源高效利用提供了潛在的解決方案，對未來作物生產(chǎn)方式變革具有重要的理論價值和指導(dǎo)作用。相關(guān)研究成果已在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)雜志以研究長文的形式發(fā)表。
上世紀 60 年代開始的綠色革命，通過作物品種選育以及栽培管理技術(shù)的提高，實現(xiàn)了作物產(chǎn)量大幅提升。然而，近年來作物單產(chǎn)增長緩慢，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。此外，施用氮肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要措施之一，我國是世界化肥消費第一大國，每年氮肥用量占世界總施用量的 35%以上。近年來，大量氮肥的過量施用不僅沒有帶來作物產(chǎn)量的持續(xù)提高，反而導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境污染問題(如土壤酸化、水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等)。因此，進一步提高作物單產(chǎn)和氮肥利用效率需要新的途徑和策略。
光合作用是地球上一切生命物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，植物通過光合作用過程將 CO2 同化為有機物，完成碳的同化;另一方面，氮素是葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸及代謝物的重要組成成分，是作物生長發(fā)育必需的大量元素。光合碳同化及氮素吸收利用過程緊密偶聯(lián)，對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成至關(guān)重要，作物碳氮代謝協(xié)同是作物實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。
眾所周知，玉米屬于碳四(C4)作物，水稻和小麥屬于碳三(C3)作物，C4 作物由于其在葉片結(jié)構(gòu)和生理生化上的特殊性，通常比 C3 作物有著更高的光合作用效率、氮素利用效率以及水分利用效率，產(chǎn)量也相對較高。在該項研究中，研究人員從光合碳同化和氮素吸收利用協(xié)同調(diào)控產(chǎn)量出發(fā)，以先前報道的潛在參與調(diào)控玉米光合作用的 118個轉(zhuǎn)錄因子為切入點，通過分析它們在水稻中的同源基因在光下和低氮條件下的誘導(dǎo)表達情況，在水稻中鑒定到一個同時受光和低氮誘導(dǎo)表達的轉(zhuǎn)錄因子 OsDREB1C。研究發(fā)現(xiàn)，該 基因能提高水稻光合作用效率和氮素利用效率。該基因過表達植株較野生型光合碳同化速率顯著提高，在光下生長速度更快，并且葉片中積累更多光合同化產(chǎn)物。同時，過表達植株對氮素的吸收轉(zhuǎn)運能力增強，并能將更多的氮素分配到籽粒中，氮素利用效率顯著提高。大田氮肥試驗表明，在不施用氮肥條件下，過表達植株產(chǎn)量已達到甚至高于野生型施用氮肥條件下的產(chǎn)量水平。OsDREB1C 基因可顯著提高水稻產(chǎn)量。團隊通過 2018 年至2022 年間在北京、三亞、杭州的多年多點田間試驗發(fā)現(xiàn)，在水稻品種“日本晴”中過表達 OsDREB1C 基因，較野生型可實現(xiàn)水稻顯著增產(chǎn)，產(chǎn)量提高41.3%~68.3%， 收獲指數(shù)提高40.3%~55.7%;在栽培稻品種“秀水 134”中過量表達該基因，較野生型產(chǎn)量提高 30.1%~41.6%，同時收獲指數(shù)提高14.8%~15.7%。
圖1. OsDREB1C促進水稻高產(chǎn)早熟
此外，研究還意外發(fā)現(xiàn)，過表達 該基因 可使水稻抽穗期提前，并縮短生育周期。在北京種植條件下，過表達水稻(日本晴)可較野生型提前抽穗 13~19 天;在栽培水稻品種“秀水 134”中過表達該基因，抽穗期可至少提前 2 天。該 基因在小麥中同樣具有高產(chǎn)早熟的功能。通過在普通小麥品種(Fielder)中表達該基因進行功能驗證，發(fā)現(xiàn)可使小麥田間增產(chǎn) 17.2~22.6%，早熟 3~6 天，說明該基因在不同作物中均具有提高產(chǎn)量、促進提前抽穗的保守性功能。
圖2. 過表達OsDREB1C使小麥增產(chǎn)早熟
進一步分子機理解析表明，該轉(zhuǎn)錄因子在植物體內(nèi)起到“分子開關(guān)”的作用，通過分別與調(diào)控光合作用、氮素吸收轉(zhuǎn)運以及開花等途徑的多個靶基因結(jié)合，激活這些基因的表達，進而協(xié)同調(diào)控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。
圖3. OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子的分子與生理作用機制
口糧絕對安全是保障中國糧食安全的關(guān)鍵，預(yù)計到 2030 年我國人口將達 14.5 億，我國水稻、小麥等主要農(nóng)作物產(chǎn)量須提高20%才能滿足需求，不斷提高作物單產(chǎn)水平是解決糧食缺口的重要途徑。該研究在作物中發(fā)現(xiàn)可協(xié)同調(diào)控多個重要生物學(xué)途徑的單一基因，使作物同時實現(xiàn)高產(chǎn)、早熟以及氮素高效利用，為作物高產(chǎn)和減少氮肥施用、實現(xiàn)“綠色高效”提供了可行的解決方案，對于未來作物新品種和新種質(zhì)的培育以及大田栽培耕作模式的變革具有重要的理論價值。
