從綠色革命改良作物株型，到雜交水稻大面積推廣，糧食單產(chǎn)增長了一倍多。
然而，此前研究表明，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。
北京時間2022年7月22日凌晨2時，《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所周文彬團(tuán)隊在水稻中發(fā)現(xiàn)的高產(chǎn)基因（OsDREB1C），能夠同時提高光合作用效率和氮素利用效率，可提高作物產(chǎn)量30%以上。
《科學(xué)》論文評審專家認(rèn)為，該團(tuán)隊出色地完成了大量的田間試驗工作，包括不同作物、不同地點(diǎn)的多年田間試驗，呈現(xiàn)了全面而可靠的實(shí)驗結(jié)果。該研究結(jié)果是了不起的、激動人心的、并具有潛在影響力的，如果將其應(yīng)用到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，必將進(jìn)一步推動水稻等作物可持續(xù)集約化生產(chǎn)。
提高單產(chǎn)是確保糧食安全的主要途徑
上世紀(jì)60年代開始的以矮化育種為特征的“綠色革命”，通過引入矮稈基因改良作物株型以及提高栽培管理技術(shù)，使得全世界水稻產(chǎn)量翻了一番。
本世紀(jì)，由袁隆平院士主導(dǎo)培育的雜交水稻大面積推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了作物增產(chǎn)20%以上。
然而，聯(lián)合國糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)顯示，近年來受新冠肺炎疫情、極端氣候、地緣沖突等影響，全球饑餓人口持續(xù)上升，2021年世界受饑餓影響的人數(shù)達(dá)8.28億。
同時，未來世界人口持續(xù)增長，預(yù)測到本世紀(jì)中葉，糧食產(chǎn)量至少增加50~60%才能滿足需求，因此需要持續(xù)提高作物單產(chǎn)水平。
另一方面，近年來作物單產(chǎn)增長已進(jìn)入一個平臺期，受到氣候變化影響，有的地區(qū)甚至出現(xiàn)了單產(chǎn)下降趨勢。
“在有限耕地面積的情況下，提高作物單產(chǎn)是確保糧食安全的主要途徑?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧芪谋蜓芯繂T告訴《中國科學(xué)報》。
此外，施用氮肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要措施之一。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(yán)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，同時提高作物產(chǎn)量和氮素利用效率需要新的途徑和策略?！敝芪谋蛘f。
118個候選因子：站在前人的肩膀上
然而，這是一件極具挑戰(zhàn)性的工作?！爸灰?%的希望我們就要嘗試?！敝芪谋蚓蛶ьI(lǐng)著團(tuán)隊從他“執(zhí)著”了20余年的光合作用研究入手。
碳和氮是植物生長發(fā)育必需的最主要的大量營養(yǎng)元素，也是細(xì)胞的主要構(gòu)成成分。
一方面，植物通過地上部葉片進(jìn)行光合作用，將大氣中的二氧化碳同化為有機(jī)物，完成碳的固定，是作物生物量和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)；另一方面，植物通過地下部根吸收氮素，也是作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵限制因子。
“植物依靠光合作用固定碳素，依靠根吸收氮素，這兩個過程緊密相連，并對作物產(chǎn)量的形成至關(guān)重要?！敝芪谋蛘f，如何在提高作物光合作用效率的同時，提高氮素利用效率、促進(jìn)作物碳氮代謝協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域重要的科學(xué)問題之一。
為此，科學(xué)家對比研究了產(chǎn)量相對于水稻、小麥更高的玉米等作物。
2014年，發(fā)表在《自然—生物技術(shù)》的研究鑒定到了118個玉米和水稻共有的與光合作用過程密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。
“我們站在前人的肩膀上，以這118個轉(zhuǎn)錄因子為切入點(diǎn)，逐一分析它們在水稻中光照條件和低氮條件的誘導(dǎo)表達(dá)情況，鑒定到一個同時受光和低氮調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C。”周文彬說。
為了驗證這個基因的功能，此后，該團(tuán)隊進(jìn)行了不同作物、不同地點(diǎn)的多年田間試驗。
“多面手”明星基因
“其實(shí)我們篩選到的是一個明星基因?！敝芪谋蚋嬖V記者，轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C在擬南芥等模式植物中備受關(guān)注，但此前并沒有科學(xué)家關(guān)注它與糧食作物產(chǎn)量的關(guān)系。
論文共同第一作者、作科所李霞博士告訴《中國科學(xué)報》，他們在不同的作物中對轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C進(jìn)行了增強(qiáng)基因表達(dá)的操作，并觀察他們的田間表現(xiàn)。
論文共同第一作者、作科所博士研究生魏少博負(fù)責(zé)管理田間實(shí)驗。他告訴記者，2018年至2022年，該團(tuán)隊在北京、三亞、杭州進(jìn)行了多年多點(diǎn)田間試驗。
結(jié)果顯示，在水稻品種“日本晴”中過表達(dá)OsDREB1C基因，比對照組產(chǎn)量提高41.3~68.3%；在南方栽培稻品種“秀水134”中過量表達(dá)該基因，較對照組產(chǎn)量提高30.1~41.6%。
過表達(dá)OsDREB1C基因的“日本晴”水稻高產(chǎn)早熟。受訪者供圖
“該基因的增產(chǎn)幅度特別大，這是很少見的?！泵绹鴩铱茖W(xué)院院士朱健康希望，未來能把這個基因應(yīng)用在生產(chǎn)上，讓育種家和農(nóng)民都能夠用到它，真正在田里看到這么高產(chǎn)的水稻或者其他的作物。
與此同時，這一款明星基因還可提高水稻氮素利用效率。過表達(dá)OsDREB1C基因可使水稻對氮素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng)，將更多的氮素分配到籽粒中，氮素利用效率較對照組提高25.8~56.6%。
“在不施用氮肥條件下，OsDREB1C基因過表達(dá)植株的產(chǎn)量已達(dá)到甚至高于對照組在施用氮肥條件下的產(chǎn)量水平，實(shí)現(xiàn)了‘減氮高產(chǎn)’。”李霞說。
然而，OsDREB1C基因的“能力”并沒有止步于此——它還可以促進(jìn)水稻早開花早結(jié)實(shí)提前收獲。魏少博介紹，在北京，過表達(dá)OsDREB1C基因水稻日本晴可較對照組提前抽穗13~19天；在杭州可讓“秀水134”抽穗期至少提前2天。
過表達(dá)OsDREB1C在田間促進(jìn)水稻增產(chǎn)和早熟。受訪者供圖
“‘吃’的更多，‘喝’的更多，‘消化’很好，應(yīng)該是它導(dǎo)致高產(chǎn)的原因?！敝芪谋蛘f，進(jìn)一步研究探明了OsDREB1C基因的調(diào)控機(jī)制——它在植物體內(nèi)起到“分子開關(guān)”的作用，分別與作用于光合作用的碳同化基因、氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)基因以及開花途徑基因等多個下游靶基因直接結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄，提高相關(guān)基因的表達(dá)水平，進(jìn)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等三個生理過程，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)早熟、綠色高效。
OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子的分子與生理作用機(jī)制。受訪者供圖
田間應(yīng)用尚待時日
為了驗證OsDREB1C基因在不同作物中可能產(chǎn)生的“影響力”，該團(tuán)隊進(jìn)一步在普通小麥品種“Fielder”以及模式植物擬南芥中，構(gòu)建了過表達(dá)OsDREB1C基因的材料，并對其進(jìn)行多物種功能驗證。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該基因在小麥中同樣具有高產(chǎn)早熟的功能。它可讓小麥田間增產(chǎn)17.2~22.6%，早熟3~6天。
過表達(dá)OsDREB1C使小麥增產(chǎn)早熟。受訪者供圖
中國工程院院士萬建民說，該研究的重要性不僅在于發(fā)現(xiàn)單一基因可同時調(diào)控多個重要生理途徑，打破長期存在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中“高產(chǎn)”與“早熟”之間的矛盾；同時，OsDREB1C基因在不同作物中的保守性功能使其具有巨大的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿?，對推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)集約化生產(chǎn)具有重要意義。
中國科學(xué)院院士楊維才認(rèn)為，這個基因的發(fā)現(xiàn)無疑具有重要的科學(xué)價值和應(yīng)用前景，其應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)對水稻和其他作物的改良，并為保障國家糧食安全、生態(tài)安全做出更大的貢獻(xiàn)。
不過，周文彬強(qiáng)調(diào)，從實(shí)驗室到農(nóng)田，還有很多工作要做。下一步，該團(tuán)隊將深入開展該基因在主要糧食作物（包括玉米、大豆）中的功能和作用機(jī)制研究，并評估其抗逆性及田間產(chǎn)量性狀，探索高產(chǎn)早熟新品種大田生產(chǎn)模式，加快突破制約作物單產(chǎn)水平快速提升的瓶頸。
“通過對光合作用、氮素利用、開花等三個生理過程的聚合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、高產(chǎn)早熟的協(xié)同，為未來通過協(xié)同改良多個生理性狀，實(shí)現(xiàn)作物大幅度增產(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(xué)研究的發(fā)展。”萬建民說。（記者/李晨）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abi8455
