科研團隊在北京市順義區(qū)稻田進行田間試驗。　資料圖

 

　　7月22日，國際著名學術期刊《科學》上發(fā)表研究論文，中國農業(yè)科學家在水稻中研究發(fā)現(xiàn)了水稻高產(chǎn)基因（OsDREB1C），該基因可提高水稻光合作用效率和氮素利用效率，顯著提高水稻產(chǎn)量；同時使水稻提前抽穗，縮短生育期。

 

　　中國工程院院士萬建民認為，該項研究的重大突破之處不僅在于發(fā)現(xiàn)單一基因可同時調控多個重要生理途徑，打破了長期存在于農業(yè)生產(chǎn)中的“高產(chǎn)”與“早熟”之間的矛盾。“為未來通過協(xié)同改良多個生理性狀實現(xiàn)作物增產(chǎn)以及資源高效利用提供了新思路、新策略，將有力推動作物遺傳育種以及作物生理學研究的發(fā)展。”

 

　　據(jù)介紹，該研究由中國農科院作物科學研究所周文彬研究員領銜，與國內外相關研究機構合作，歷時7年完成，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，對未來作物生產(chǎn)方式變革具有重要的理論價值和指導作用。

 

　　118個轉錄因子中挖掘優(yōu)秀基因

 

　　7年前，國際學術期刊《自然—生物技術》上發(fā)表的一篇科研論文引起了周文彬團隊的注意。文章通過比較玉米和水稻，發(fā)現(xiàn)了調控玉米光合作用的118個轉錄因子。

 

　　周文彬介紹，這118個轉錄因子，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)量遠高于水稻，幾乎是水稻的兩倍。這是因為，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，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。

 

　　眾所周知，光合作用、氮素和產(chǎn)量密切相關，光合作用將空氣中的二氧化碳同化為有機物，是作物生物量和產(chǎn)量的基礎。氮素則是葉綠素、蛋白質、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。

 

　　同樣存在于玉米和水稻中的同源基因，為何會產(chǎn)生巨大的差別？如何從中找到協(xié)同調控水稻光合碳同化和氮素利用的關鍵基因？周文彬團隊開始了找尋這個基因的發(fā)現(xiàn)之旅。

 

　　團隊兩名研究人員承擔了最初的鑒定任務，他們是中國農業(yè)科學院作物科學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。

 

　　一個基因的發(fā)現(xiàn)過程是漫長的，甚至需要一點運氣，更多的是面對未知的堅守。周文彬說：只要有1％的希望我們就要嘗試。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，但最終都堅持了下來。他們的堅守最終贏得了命運的青睞。在水稻中，他們鑒定到了一個同時受光和低氮誘導表達的轉錄因子OsDREB1C。

 

　　田間試驗驗證高產(chǎn)效果

 

　　鑒定完成后，是更加漫長的試驗過程。團隊科研人員選取了兩個品種做試驗，一個是“日本晴”，這是水稻研究中的模式作物，因為它的全基因組序列已經(jīng)測序完成，是優(yōu)良的試驗對象。另一個品種，是當前生產(chǎn)中正在使用的“秀水134”，這是一種常規(guī)粳稻品種，畝產(chǎn)可以達到600公斤。

 

　　通過現(xiàn)代基因工程技術手段，科研人員構建了敲除該基因的材料以及過表達的材料，將它們和未進行操作的野生型進行對比。結果顯示，過表達該基因的水稻材料，在光下的生長速度比野生型更快，光合作用速率顯著提升，葉片中的光合同化物含量提高，籽粒的灌漿速率更快。與此同時，在大田試驗中，科研人員還發(fā)現(xiàn)，過表達材料對氮素的利用效率顯著提升，在不施氮、中等施氮、高氮肥的三塊試驗田中，在不施氮肥的條件下，過表達材料的產(chǎn)量可以達到甚至超過中等施氮條件下野生型的產(chǎn)量。

 

　　在北京、杭州、三亞等地，科研人員進行了多年、多點的田間試驗，結果發(fā)現(xiàn)，在“日本晴”過表達OsDREB1C之后，在北京可以實現(xiàn)顯著增產(chǎn)，小區(qū)增產(chǎn)幅度達41.3％至68.3％。而“秀水134”在杭州可以實現(xiàn)30.1％至41.6％的增產(chǎn)。同時，兩種試驗材料，均有不同程度的早熟效果。

 

　　新發(fā)現(xiàn)為育種帶來新曙光

 

　　最新發(fā)布的《2022年世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》報告指出，2021年全球受饑餓影響的人數(shù)達8.28億，世界糧食安全面臨著巨大挑戰(zhàn)。因此，在農業(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。

 

　　二十世紀六十年代，“綠色革命”開始，通過半矮化育種、雜交育種等品種選育，以及栽培管理技術的提升，作物產(chǎn)量實現(xiàn)了大幅度提升。然而，近年來，這種增長正在進入平臺期，單產(chǎn)的增幅正在變得緩慢，“全球約24％至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。”周文彬介紹說。

 

　　與此同時，大量使用氮肥，仍是當前農作物增產(chǎn)的重要措施之一。但過量的氮肥使用，不僅不利于增產(chǎn)，反而會帶來日益明顯的負面作用，包括環(huán)境污染問題、作物“貪青晚熟”問題。

 

　　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，這也是當前農業(yè)科學研究中的難點和熱點。OsDREB1C的發(fā)現(xiàn)，給破解這些難題帶來了曙光。

 

　　周文彬表示，新的研究，創(chuàng)新了作物高產(chǎn)的理論，同時也證實了一個基因調控多種生理功能的可能，OsDREB1C在水稻中的過表達，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、解決作物復種中茬口偏緊等實際農業(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，使其具有廣泛應用潛力和發(fā)展前景。

 

　　“該基因的增產(chǎn)幅度大，這是很少見的。”美國國家科學院院士朱健康表示。牛津大學植物科學系StevenKelly教授認為，這項研究證明通過提高光合作用來增加作物單產(chǎn)是可行的，在經(jīng)歷了數(shù)千年的馴化育種后，通過挖掘植物基因組中未知的光合作用相關基因、實現(xiàn)作物產(chǎn)量的提升具有巨大潛力。

 

　　萬建民表示，“該基因的發(fā)現(xiàn)，給我們提供了一個新的研究材料和基因資源，同時也給我們提供了無限的可能，但是下一步，還是需要科學組織，加快育種應用。”中國科學院院士楊維才也表示，“這是我國水稻研究成果又一項重要發(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。”

 

　　不過，從基礎研究的新發(fā)現(xiàn)，到真正應用于實踐，仍有很長的距離，中國農業(yè)科學院作物科學研究所所長、中國科學院院士錢前表示，此基因的發(fā)現(xiàn)“確實是育種的新曙光，在未來，更需要做的是盡快把理論變成實際，用更快的速度實現(xiàn)應用”。

 

　　周文彬表示，未來研究團隊將深入開展該基因在主要糧食作物中的功能和作用機制研究，評估其抗逆性及田間產(chǎn)量性狀，與國內相關研究團隊協(xié)同攻關培育高產(chǎn)高效新品種，為糧食安全提供科技支撐。