今日热议：今日《科学》：中国科学家发现水稻高产基因

▎药明康德内容团队编辑

上世纪60年代开始的绿色革命为人类实现了作物产量的大幅提升，但在21世纪，粮食安全依旧是紧迫的全球性问题。近年来，多种作物单产增长缓慢甚至停滞，频繁出现的极端高温让形势进一步恶化；另一方面，全球氮肥的使用量持续提升，导致了严重的土壤酸化与水体富营养化。

作为全球最重要的粮食作物之一，为全球近一半人口提供了主食的水稻，也面临着同样的问题。如何在提升水稻产量的同时提高氮肥利用效率，成为迫在眉睫的课题。

(资料图片仅供参考)

在一项今日发表于《科学》的研究中，中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员领衔的团队取得了一项重要突破：研究团队在水稻中发现了一个高产基因，其能够同时提高光合作用效率和氮素利用效率，显著提高水稻产量并缩短生育期。论文指出，这项突破有望带来更加高效、可持续的作物生产策略。

这项关于水稻的研究，线索却来自另一种我们十分熟悉的作物：玉米。这是因为作物根据光合作用的途径分为C3与C4两类，其中玉米所属的C4作物光合作用效率及氮素利用效率往往更高，产量也优于水稻和小麦所属的C3作物。

因此，一个很自然的想法是：我们能否向玉米这类C4作物取经、找到提升产量的关键因素，并通过育种策略或基因工程应用于水稻呢？

这项研究的切入点，是先前报道的118个潜在参与调控玉米光合作用的转录因子。通过对它们在水稻中的同源基因的分析，这项研究找到了一个同时受光和低氮诱导表达的基因：OsDREB1C。增强该基因的表达可以导致作物的光合作用效率提升，并且氮素利用效率也显著提高。

OsDREB1C基因过量表达时，水稻的生长情况能否得到改善？通过多年的田间试验，研究团队证实了该基因的关键作用。OsDREB1C基因过表达时，不同品种的水稻均实现显著增产：水稻品种“日本晴”产量提高41.3%~68.3%，栽培稻品种“秀水134”产量提升30.1%~41.6%。此外，研究还意外发现过表达OsDREB1C可使水稻抽穗期提前，缩短整个生育周期。

▲OsDREB1C转录因子促进水稻高产早熟（图片来源：研究团队供图）

随后的研究指出，OsDREB1C的作用不仅局限于水稻，还能扩展至其它C3作物中。田间试验证实，在另一类重要C3作物小麦中过量表达OsDREB1C，同样可以实现增产与早熟。

▲过表达OsDREB1C使小麦增产早熟（图片来源：研究团队供图）

基于这些现象，研究团队进一步揭开了OsDREB1C转录因子的分子机制：它在植物体内起到“分子开关”的作用，分别与调控光合作用、氮素吸收转运以及开花等途径的多个靶基因结合，激活这些基因的表达，从而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。

论文作者指出，该研究为培育更加高产、氮肥高效以及早熟的作物品种提供了重要基因资源，为实现作物高产和资源高效利用提供了潜在的解决方案，并且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。

▲OsDREB1C转录因子的分子与生理作用机制（图片来源：参考资料[1]）

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为该论文的共同第一作者，周文彬研究员为通讯作者。中国农科院作物科学研究所、中国水稻研究所、上海师范大学、深圳农业基因组研究所、北京大学、中科院上海植物生理生态研究所以及德国马普分子植物生理研究所等国内外7家研究机构参与了该项研究。该工作得到了国家重点研发计划、中国农业科学院创新工程、中国农业科学院“青年英才”计划等项目的资助。

参考资料：

[1] Shaobo Wei, Xia Li et al., A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice.Science(2022) DOI: https://doi.org/10.1126/science.abi8455

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