近日，中國農(nóng)科院作物科學(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（OsDREBIC）。研究表明，OsDREBIC能夠同時提高光合作用效率和氮素利用效率，并顯著提高作物產(chǎn)量。此外，OsDREBIC可使水稻提前抽穗，縮短生育期。
圖片說明：OsDREB1C 促進水稻高產(chǎn)早熟（中國農(nóng)科院供圖）
據(jù)悉，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。7月22日，相關(guān)研究成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)（Science）》雜志以研究長文的形式在線發(fā)表。中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所博士研究生魏少博和李霞博士為該論文的共同第一作者，周文彬研究員為通訊作者。
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。
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OsDREBIC。
研究發(fā)現(xiàn)，OsDREBIC基因能提高水稻光合作用效率和氮素利用效率。OsDREBIC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)動能力增強，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，OsDREBIC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。
OsDREBIC基因還可顯著提高水稻產(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“日本睛”中過表達OsDREBIC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%。
此外，研究意外發(fā)現(xiàn)，過表達OsDREBIC可使水稻抽穗期提前，并縮短整個生育周期。在北京種植條件下，在水稻品種“日本晴”中過表達該基因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。
進一步分子機理解析表明，OsDREBIC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)動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，進而調(diào)控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。
