科研團(tuán)隊(duì)在北京市順義區(qū)稻田進(jìn)行田間試驗(yàn)?！≠Y料圖
7月22日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表研究論文，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(shí)使水稻提前抽穗，縮短生育期。
中國工程院院士萬建民認(rèn)為，該項(xiàng)研究的重大突破之處不僅在于發(fā)現(xiàn)單一基因可同時(shí)調(diào)控多個(gè)重要生理途徑，打破了長(zhǎng)期存在于農(nóng)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(gè)生理性狀實(shí)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(dòng)作物遺傳育種以及作物生理學(xué)研究的發(fā)展。”
據(jù)介紹，該研究由中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所周文彬研究員領(lǐng)銜，與國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)合作，歷時(shí)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(duì)未來作物生產(chǎn)方式變革具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)作用。
118個(gè)轉(zhuǎn)錄因子中挖掘優(yōu)秀基因
7年前，國際學(xué)術(shù)期刊《自然—生物技術(shù)》上發(fā)表的一篇科研論文引起了周文彬團(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(duì)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。
眾所周知，光合作用、氮素和產(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。
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？如何從中找到協(xié)同調(diào)控水稻光合碳同化和氮素利用的關(guān)鍵基因？周文彬團(tuán)隊(duì)開始了找尋這個(gè)基因的發(fā)現(xiàn)之旅。
團(tuán)隊(duì)兩名研究人員承擔(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。
一個(gè)基因的發(fā)現(xiàn)過程是漫長(zhǎng)的，甚至需要一點(diǎn)運(yùn)氣，更多的是面對(duì)未知的堅(jiān)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(jiān)持了下來。他們的堅(jiān)守最終贏得了命運(yùn)的青睞。在水稻中，他們鑒定到了一個(gè)同時(shí)受光和低氮誘導(dǎo)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C。
田間試驗(yàn)驗(yàn)證高產(chǎn)效果
鑒定完成后，是更加漫長(zhǎng)的試驗(yàn)過程。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(cè)序完成，是優(yōu)良的試驗(yàn)對(duì)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。
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(duì)比。結(jié)果顯示，過表達(dá)該基因的水稻材料，在光下的生長(zhǎng)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(shí)，在大田試驗(yàn)中，科研人員還發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)材料對(duì)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。
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％至68.3％。而“秀水134”在杭州可以實(shí)現(xiàn)30.1％至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。
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(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。
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(zhǎng)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％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(shì)。”周文彬介紹說。
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。
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。
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。
“該基因的增產(chǎn)幅度大，這是很少見的。”美國國家科學(xué)院院士朱健康表示。牛津大學(xué)植物科學(xué)系StevenKelly教授認(rèn)為，這項(xiàng)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(guān)基因、實(shí)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(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。”中國科學(xué)院院士楊維才也表示，“這是我國水稻研究成果又一項(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。”
不過，從基礎(chǔ)研究的新發(fā)現(xiàn)，到真正應(yīng)用于實(shí)踐，仍有很長(zhǎng)的距離，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長(zhǎng)、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”。
周文彬表示，未來研究團(tuán)隊(duì)將深入開展該基因在主要糧食作物中的功能和作用機(jī)制研究，評(píng)估其抗逆性及田間產(chǎn)量性狀，與國內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)培育高產(chǎn)高效新品種，為糧食安全提供科技支撐。
