近日,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所周文彬研究員領(lǐng)銜,在水稻中研究發(fā)現(xiàn)了水稻高產(chǎn)基因(OsDREB1C),能夠同時(shí)提高光合作用效率和氮素利用效率,可顯著提高作物產(chǎn)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(chǎn)、氮肥高效以及早熟的作物品種提供了重要基因資源,為實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)和資源高效利用提供了潛在的解決方案,對(duì)未來(lái)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。相關(guān)研究成果已在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)雜志以研究長(zhǎng)文的形式發(fā)表。
上世紀(jì) 60 年代開(kāi)始的綠色革命,通過(guò)作物品種選育以及栽培管理技術(shù)的提高,實(shí)現(xiàn)了作物產(chǎn)量大幅提升。然而,近年來(lái)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)。此外,施用氮肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要措施之一,我國(guó)是世界化肥消費(fèi)第一大國(guó),每年氮肥用量占世界總施用量的 35%以上。近年來(lái),大量氮肥的過(guò)量施用不僅沒(méi)有帶來(lái)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(wèn)題(如土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室氣體排放等)。因此,進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)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(zhì)和能量的基礎(chǔ),植物通過(guò)光合作用過(guò)程將 CO2 同化為有機(jī)物,完成碳的同化;另一方面,氮素是葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸及代謝物的重要組成成分,是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量元素。光合碳同化及氮素吸收利用過(guò)程緊密偶聯(lián),對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成至關(guān)重要,作物碳氮代謝協(xié)同是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。
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(jié)構(gòu)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(chǎn)量也相對(duì)較高。在該項(xiàng)研究中,研究人員從光合碳同化和氮素吸收利用協(xié)同調(diào)控產(chǎn)量出發(fā),以先前報(bào)道的潛在參與調(diào)控玉米光合作用的 118個(gè)轉(zhuǎn)錄因子為切入點(diǎn),通過(guò)分析它們?cè)谒局械耐椿蛟诠庀潞偷偷獥l件下的誘導(dǎo)表達(dá)情況,在水稻中鑒定到一個(gè)同時(shí)受光和低氮誘導(dǎo)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子 OsDREB1C。研究發(fā)現(xiàn),該 基因能提高水稻光合作用效率和氮素利用效率。該基因過(guò)表達(dá)植株較野生型光合碳同化速率顯著提高,在光下生長(zhǎng)速度更快,并且葉片中積累更多光合同化產(chǎn)物。同時(shí),過(guò)表達(dá)植株對(duì)氮素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng),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(yàn)表明,在不施用氮肥條件下,過(guò)表達(dá)植株產(chǎn)量已達(dá)到甚至高于野生型施用氮肥條件下的產(chǎn)量水平。OsDREB1C 基因可顯著提高水稻產(chǎn)量。團(tuán)隊(duì)通過(guò) 2018 年至2022 年間在北京、三亞、杭州的多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在水稻品種“日本晴”中過(guò)表達(dá) OsDREB1C 基因,較野生型可實(shí)現(xiàn)水稻顯著增產(chǎn),產(chǎn)量提高41.3%~68.3%, 收獲指數(shù)提高40.3%~55.7%;在栽培稻品種“秀水 134”中過(guò)量表達(dá)該基因,較野生型產(chǎn)量提高 30.1%~41.6%,同時(shí)收獲指數(shù)提高14.8%~15.7%。
圖1. OsDREB1C促進(jìn)水稻高產(chǎn)早熟
此外,研究還意外發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá) 該基因 可使水稻抽穗期提前,并縮短生育周期。在北京種植條件下,過(guò)表達(dá)水稻(日本晴)可較野生型提前抽穗 13~19 天;在栽培水稻品種“秀水 134”中過(guò)表達(dá)該基因,抽穗期可至少提前 2 天。該 基因在小麥中同樣具有高產(chǎn)早熟的功能。通過(guò)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(shuō)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。
圖2. 過(guò)表達(dá)OsDREB1C使小麥增產(chǎn)早熟
進(jìn)一步分子機(jī)理解析表明,該轉(zhuǎn)錄因子在植物體內(nèi)起到“分子開(kāi)關(guān)”的作用,通過(guò)分別與調(diào)控光合作用、氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及開(kāi)花等途徑的多個(gè)靶基因結(jié)合,激活這些基因的表達(dá),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。
圖3. OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子的分子與生理作用機(jī)制
口糧絕對(duì)安全是保障中國(guó)糧食安全的關(guān)鍵,預(yù)計(jì)到 2030 年我國(guó)人口將達(dá) 14.5 億,我國(guó)水稻、小麥等主要農(nóng)作物產(chǎn)量須提高20%才能滿足需求,不斷提高作物單產(chǎn)水平是解決糧食缺口的重要途徑。該研究在作物中發(fā)現(xiàn)可協(xié)同調(diào)控多個(gè)重要生物學(xué)途徑的單一基因,使作物同時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、早熟以及氮素高效利用,為作物高產(chǎn)和減少氮肥施用、實(shí)現(xiàn)“綠色高效”提供了可行的解決方案,對(duì)于未來(lái)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。