7月22日，中國農業(yè)科學院作物科學研究所研究員周文彬領銜的研究成果在國際著名學術期刊《科學》（《Science》）雜志以研究長文的形式在線發(fā)表。
周文彬團隊在水稻中研究發(fā)現了水稻高產基因（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、氮肥高效以及早熟的作物品種提供了重要基因資源，為實現作物高產和資源高效利用提供了潛在的解決方案，對未來作物生產方式變革具有重要的理論價值和指導作用。
中國科學院院士、中國農業(yè)科學院作物科學研究所所長錢前表示，口糧絕對安全是保障中國糧食安全的關鍵，預計到2030年我國人口將達14.5億，我國水稻、小麥等主要農作物產量須提高20%才能滿足需求，不斷提高作物單產水平是解決糧食缺口的重要途徑。該研究在作物中發(fā)現可協同調控多個重要生物學途徑的單一基因，使作物同時實現高產、早熟以及氮素高效利用，為作物高產和減少氮肥施用、實現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。
20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的提高，實現了作物產量大幅提升。然而，近年來作物單產增長緩慢，全球約24%~39%的玉米、水稻、小麥以及大豆種植區(qū)域單產處于停滯不前甚至下降的態(tài)勢。此外，施用氮肥是農作物增產的重要措施之一，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量的持續(xù)提高，反而導致了嚴重的環(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和能量的基礎，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、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，對作物生長發(fā)育和產量形成至關重要，作物碳-氮代謝協同是作物實現高產的基礎。”周文彬介紹，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構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同調控出發(fā)，以先前報道的潛在參與調控玉米光合作用的118個轉錄因子為切入點，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表達情況，在水稻中鑒定到一個同時受光和低氮誘導表達的轉錄因子OsDREB1C。
研究發(fā)現，OsDREB1C基因能提高水稻光合作用效率和氮素利用效率。研究人員通過現代基因工程技術使OsDREB1C在水稻植株中提高該基因產物的表達量，發(fā)現增強該基因表達后的植株，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物。同時，過表達植株對氮素的吸收轉運能力增強，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，OsDREB1C過表達植株產量已達到甚至高于野生型施用氮肥條件下的產量水平。
OsDREB1C基因可顯著提高水稻產量。研究團隊通過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，在水稻品種“日本晴”中過表達OsDREB1C基因，較野生型可實現水稻顯著增產，產量提高41.3%~68.3%，收獲指數提高40.3%~55.7%；在栽培稻品種“秀水134”中過量表達該基因，較野生型產量提高30.1%~41.6%，同時收獲指數提高14.8%~15.7%。
OsDREB1C促進水稻高產早熟
周文彬團隊還意外發(fā)現，過表達OsDREB1C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，過表達OsDREB1C水稻（日本晴）可較野生型提前抽穗13~19天；杭州種植條件下，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。
“OsDREB1C基因在小麥中同樣具有高產早熟的功能。通過在普通小麥品種Fielder中表達OsDREB1C基因進行功能驗證，發(fā)現可使小麥田間增產17.2%~22.6%，早熟 3~6 天，說明OsDREB1C基因在不同作物中均具有提高產量、促進提前抽穗的保守性功能?！敝芪谋蛘f。
過表達OsDREB1C使小麥增產早熟
該研究進一步分子機理解析表明，OsDREB1C轉錄因子在植物體內起到“分子開關”的作用，通過分別與調控光合作用、氮素吸收轉運以及開花等途徑的多個靶基因結合，激活這些基因的表達，進而協同調控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。
OsDREB1C轉錄因子的分子與生理作用機制
中國農業(yè)科學院作物科學研究所博士研究生魏少博和博士李霞為該論文的共同第一作者，周文彬為通訊作者。中國農業(yè)科學院作物科學研究所、中國水稻研究所、深圳農業(yè)基因組研究所、上海師范大學、北京大學、中科院上海植物生理生態(tài)研究所以及德國馬普分子植物生理研究所等國內外7家研究機構參與了該項研究。
