我国科学家发现水稻“优秀”高产基因

可实现提高产量、提高氮素利用效率、缩短生育期“一箭三雕” 

科研团队在北京市顺义区稻田进行田间试验。　资料图

7月22日，国际著名学术期刊《科学》上发表研究论文，中国农业科学家在水稻中研究发现了水稻高产基因（OsDREB1C），该基因可提高水稻光合作用效率和氮素利用效率，显著提高水稻产量；同时使水稻提前抽穗，缩短生育期。

中国工程院院士万建民认为，该项研究的重大突破之处不仅在于发现单一基因可同时调控多个重要生理途径，打破了长期存在于农业生产中的“高产”与“早熟”之间的矛盾。“为未来通过协同改良多个生理性状实现作物增产以及资源高效利用提供了新思路、新策略，将有力推动作物遗传育种以及作物生理学研究的发展。”

据介绍，该研究由中国农科院作物科学研究所周文彬研究员领衔，与国内外相关研究机构合作，历时7年完成，为培育更加高产、氮肥高效以及早熟的作物品种提供了重要基因资源，对未来作物生产方式变革具有重要的理论价值和指导作用。

118个转录因子中挖掘优秀基因

7年前，国际学术期刊《自然—生物技术》上发表的一篇科研论文引起了周文彬团队的注意。文章通过比较玉米和水稻，发现了调控玉米光合作用的118个转录因子。

周文彬介绍，这118个转录因子，在玉米和水稻中有一对一的同源基因。玉米和水稻都是禾本科植物，它们的产量却大相径庭，玉米的产量远高于水稻，几乎是水稻的两倍。这是因为，它们具有不同的光合作用方式，玉米是碳四作物，其最大的特点，是较碳三作物（如水稻、小麦等）具有更高的光合效率、氮素利用效率和水分利用效率。

众所周知，光合作用、氮素和产量密切相关，光合作用将空气中的二氧化碳同化为有机物，是作物生物量和产量的基础。氮素则是叶绿素、蛋白质、核酸及代谢物的重要组成部分，也是产量形成的主要限制因子。

同样存在于玉米和水稻中的同源基因，为何会产生巨大的差别？如何从中找到协同调控水稻光合碳同化和氮素利用的关键基因？周文彬团队开始了找寻这个基因的发现之旅。

团队两名研究人员承担了最初的鉴定任务，他们是中国农业科学院作物科学研究所博士研究生魏少博和李霞博士，也是该论文的共同第一作者。

一个基因的发现过程是漫长的，甚至需要一点运气，更多的是面对未知的坚守。周文彬说：只要有1％的希望我们就要尝试。魏少博告诉记者，在不断的鉴定和分析中，他们几度面临放弃的境地，但最终都坚持了下来。他们的坚守最终赢得了命运的青睐。在水稻中，他们鉴定到了一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C。

田间试验验证高产效果

鉴定完成后，是更加漫长的试验过程。团队科研人员选取了两个品种做试验，一个是“日本晴”，这是水稻研究中的模式作物，因为它的全基因组序列已经测序完成，是优良的试验对象。另一个品种，是当前生产中正在使用的“秀水134”，这是一种常规粳稻品种，亩产可以达到600公斤。

通过现代基因工程技术手段，科研人员构建了敲除该基因的材料以及过表达的材料，将它们和未进行操作的野生型进行对比。结果显示，过表达该基因的水稻材料，在光下的生长速度比野生型更快，光合作用速率显著提升，叶片中的光合同化物含量提高，籽粒的灌浆速率更快。与此同时，在大田试验中，科研人员还发现，过表达材料对氮素的利用效率显著提升，在不施氮、中等施氮、高氮肥的三块试验田中，在不施氮肥的条件下，过表达材料的产量可以达到甚至超过中等施氮条件下野生型的产量。

在北京、杭州、三亚等地，科研人员进行了多年、多点的田间试验，结果发现，在“日本晴”过表达OsDREB1C之后，在北京可以实现显著增产，小区增产幅度达41.3％至68.3％。而“秀水134”在杭州可以实现30.1％至41.6％的增产。同时，两种试验材料，均有不同程度的早熟效果。

新发现为育种带来新曙光

最新发布的《2022年世界粮食安全和营养状况》报告指出，2021年全球受饥饿影响的人数达8.28亿，世界粮食安全面临着巨大挑战。因此，在农业育种、尤其是粮食育种中，高产仍旧是最重要的追求之一。

二十世纪六十年代，“绿色革命”开始，通过半矮化育种、杂交育种等品种选育，以及栽培管理技术的提升，作物产量实现了大幅度提升。然而，近年来，这种增长正在进入平台期，单产的增幅正在变得缓慢，“全球约24％至39％的玉米、水稻、小麦以及大豆种植区域单产处于停滞不前甚至下降的态势。”周文彬介绍说。

与此同时，大量使用氮肥，仍是当前农作物增产的重要措施之一。但过量的氮肥使用，不仅不利于增产，反而会带来日益明显的负面作用，包括环境污染问题、作物“贪青晚熟”问题。

全球粮食生产的重重困境，使得作物大幅增产的需求和氮肥高效利用的需求日益迫切，这也是当前农业科学研究中的难点和热点。OsDREB1C的发现，给破解这些难题带来了曙光。

周文彬表示，新的研究，创新了作物高产的理论，同时也证实了一个基因调控多种生理功能的可能，OsDREB1C在水稻中的过表达，具有光合效率高效、氮肥高效、早熟的三重效果，在提升水稻产量、降低氮肥使用、解决作物复种中茬口偏紧等实际农业生产问题中，都有重要的作用。此外，OsDREB1C在小麦中也同样存在高产早熟的保守性功能，使其具有广泛应用潜力和发展前景。

“该基因的增产幅度大，这是很少见的。”美国国家科学院院士朱健康表示。牛津大学植物科学系StevenKelly教授认为，这项研究证明通过提高光合作用来增加作物单产是可行的，在经历了数千年的驯化育种后，通过挖掘植物基因组中未知的光合作用相关基因、实现作物产量的提升具有巨大潜力。

万建民表示，“该基因的发现，给我们提供了一个新的研究材料和基因资源，同时也给我们提供了无限的可能，但是下一步，还是需要科学组织，加快育种应用。”中国科学院院士杨维才也表示，“这是我国水稻研究成果又一项重要发现，为培育更加高产、氮素高效利用以及早熟作物品种提供了重要的基因资源。”

不过，从基础研究的新发现，到真正应用于实践，仍有很长的距离，中国农业科学院作物科学研究所所长、中国科学院院士钱前表示，此基因的发现“确实是育种的新曙光，在未来，更需要做的是尽快把理论变成实际，用更快的速度实现应用”。

周文彬表示，未来研究团队将深入开展该基因在主要粮食作物中的功能和作用机制研究，评估其抗逆性及田间产量性状，与国内相关研究团队协同攻关培育高产高效新品种，为粮食安全提供科技支撑。