追求糧食高質(zhì)高產(chǎn)始終是農(nóng)業(yè)科技不斷探究的領(lǐng)域。近年來,作物單產(chǎn)增長(zhǎng)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(shì)。如何提高這些作物的單產(chǎn),各國都在探索。
當(dāng)前,世界種業(yè)進(jìn)入到育種“4.0時(shí)代”,正迎來以全基因組選擇、基因編輯、合成生物學(xué)及人工智能等技術(shù)融合發(fā)展為標(biāo)志的新一輪科技革命。近日,中國科學(xué)家在水稻中研究發(fā)現(xiàn)了水稻高產(chǎn)基因,可提高水稻產(chǎn)量30%以上,并縮短生育期。該成果于北京時(shí)間今天(22日)凌晨發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。該基因是怎么被發(fā)現(xiàn)的?它對(duì)水稻高產(chǎn)效果如何?將對(duì)未來農(nóng)作物發(fā)展起到怎樣的作用?
糧食產(chǎn)量歷史上兩次突破未來人類可能仍不夠吃
糧食是人類賴以生存的根本。隨著人口的增加、耕地的減少,提高糧食單產(chǎn)是保障全球糧食安全的關(guān)鍵路徑。然而,近年來作物單產(chǎn)增長(zhǎng)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(shì)。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作科所研究員周文彬介紹,提高糧食作物單產(chǎn),歷史上至少有兩次突破,第一次是以矮化育種為特征的綠色革命,第二次是以我國袁隆平先生發(fā)明的雜交水稻育種。但人類不能滿足于此。
周文彬:我們預(yù)計(jì)到2050年世界人口會(huì)增至97億,全球糧食產(chǎn)量至少增加60%才能滿足需求。從中國來看,我們國家預(yù)測(cè)人口2030年將達(dá)到14.5億,水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物生產(chǎn)能力需提高20%以上,需要我們提高糧食作物單產(chǎn)的能力。
北京順義中國農(nóng)科院作科所實(shí)驗(yàn)基地
埋首7年 一個(gè)特別的基因被發(fā)現(xiàn)
前兩次產(chǎn)量的飛躍都得益于重大基因的發(fā)現(xiàn)。產(chǎn)量的增加還有一個(gè)很重要的原因是氮肥的施用,氮肥施用可以顯著增加作物的產(chǎn)量,但同時(shí)又會(huì)帶來土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。周文彬團(tuán)隊(duì)致力于糧食作物光合作用功能基因的研究,經(jīng)過7年時(shí)間,發(fā)現(xiàn)了水稻中一個(gè)特別的基因。
周文彬:我們團(tuán)隊(duì)在118個(gè)轉(zhuǎn)錄因子基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選。首先通過低氮篩選,低氮如果誘導(dǎo)表達(dá),我們總共篩選出13個(gè)基因,這13個(gè)基因是否受光的誘導(dǎo),我們又鑒定出來3個(gè)基因。其中有一個(gè)基因叫OsDREB1C,這個(gè)基因就是我們的目標(biāo)基因,因此,我們就構(gòu)建了這個(gè)基因的敲除材料和過表達(dá)。
OsDREB1C基因在小麥和擬南芥中均具有早熟增產(chǎn)的功能
團(tuán)隊(duì)選擇在“日本晴”和“秀水134”這兩種水稻品種中試驗(yàn),通過增強(qiáng)這兩種水稻中這一基因的表達(dá),果然有了意外的發(fā)現(xiàn)。
周文彬:過表達(dá)之后水稻的葉片色素含量,光合膜蛋白復(fù)合體的含量都有顯著提高。另外光合作用關(guān)鍵酶RubisCO的含量和活性均高于野生型。在大田條件下,我們做了光合效率的研究,看到過表達(dá)的材料水稻光合同化速率顯著提升,過表達(dá)的葉片中積累了大量的光合同化產(chǎn)物,同時(shí)籽粒灌漿速度更快。
野生型(WT)、過表達(dá)材料(OE1、OE2、OE5)、基因敲除材料(KO1、KO2、KO3)表型對(duì)比
試驗(yàn)的水稻、小麥品種中產(chǎn)量均有顯著提高 均實(shí)現(xiàn)早熟
那么,光合作用效率提高的結(jié)果是什么呢?周文彬團(tuán)隊(duì)2018年至2022年間在北京、三亞、杭州進(jìn)行多點(diǎn)田間試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),增強(qiáng)這一基因表達(dá)后的“日本晴”和“秀水134”水稻產(chǎn)量都有顯著增加,并且生長(zhǎng)周期也有所縮短。
周文彬:在“日本晴”背景下實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量的顯著增長(zhǎng),小區(qū)產(chǎn)量可以提高41.3%—68.3%。此外,我們還意外地發(fā)現(xiàn)過表達(dá)這個(gè)基因之后,還能促進(jìn)水稻提前抽穗,能縮短它的生長(zhǎng)周期,較野生型提前抽穗13~19天。在栽培稻秀水134中進(jìn)行過表達(dá),發(fā)現(xiàn)在杭州種植條件下過表達(dá)之后它的產(chǎn)量也能提升30.1%—41.6%,收獲指數(shù)能提高14.8%—15.7%,抽穗期至少可提前2天。
過表達(dá)材料(左)、野生型(中)、基因敲除材料(右)田間表型對(duì)比
此外,團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),這一基因在小麥中同樣具有促進(jìn)高產(chǎn)早熟的功能。通過在普通小麥品種(Fielder)中表達(dá)該基因進(jìn)行功能驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)可使小麥田間增產(chǎn) 17.2~22.6%,早熟 3~6 天,說明該基因在不同作物中均具有提高產(chǎn)量、促進(jìn)提前抽穗的保守性功能。
增強(qiáng)光合作用+減少氮肥施用+顯著高產(chǎn)+早熟:集多種功能為一身的罕見基因。
盡管“水稻高產(chǎn)基因”的發(fā)現(xiàn)并非第一次,但中國科學(xué)院院士、中國農(nóng)科院作科所所長(zhǎng)錢前表示,像這樣能將幾種重要功能集于一身的基因非常少見。
錢前:第一個(gè)是增強(qiáng)光合作用,第二個(gè)氮肥吸收效率提高了,第三個(gè)還有早熟的效果。很好能協(xié)調(diào)在一起的基因還是非常少的。
中國農(nóng)科院作科所副所長(zhǎng)劉錄祥提到,之前發(fā)現(xiàn)的水稻高產(chǎn)基因通常只有高產(chǎn)的效果,而新發(fā)現(xiàn)的這一基因不僅能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、縮短周期,還能起到節(jié)肥的作用,意義重大。
劉錄祥:這個(gè)基因因?yàn)樗凸夂献饔孟嚓P(guān),和氮素直接相關(guān),對(duì)綠色豐產(chǎn)來說起著很重要的作用。綠色豐產(chǎn)你產(chǎn)量要高,還得消耗最少的物化投入,這個(gè)基因是有時(shí)代意義的高產(chǎn),不是傳統(tǒng)意義上的說法,它是在節(jié)肥狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的高效功能的表達(dá),這個(gè)意義比我們傳統(tǒng)意義上的高產(chǎn)基因來得更強(qiáng)烈一些。
2021年6月9日,團(tuán)隊(duì)成員在北京順義中國農(nóng)科院作科所實(shí)驗(yàn)基地準(zhǔn)備水稻秧苗
該基因的發(fā)現(xiàn),對(duì)于未來作物新品種和新種質(zhì)的培育以及大田栽培耕作模式的變革具有重要的理論價(jià)值。而這個(gè)重要的理論價(jià)值什么時(shí)候能夠轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用,真正為普通農(nóng)田里的水稻增產(chǎn)做貢獻(xiàn)呢?周文彬解釋,還需要經(jīng)過較為漫長(zhǎng)的育種階段。
周文彬:一般育種品種是比較漫長(zhǎng)的,8—10年。常規(guī)育種要育成新的品種需要很多團(tuán)隊(duì)協(xié)同努力,要大家一起,比如說育種家,分子生物學(xué)家,他們能把這個(gè)基因整合到受體中去,再進(jìn)行田間的鑒定、測(cè)試、選種、驗(yàn)證等,甚至最后的推廣、申報(bào)等等這些階段,確實(shí)需要一定的過程。