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重大發(fā)現(xiàn)!水稻罕見(jiàn)高產(chǎn)基因可顯著提升產(chǎn)量

2022-08-04 09:44:58   

近日,《科學(xué)》(Science)雜志以研究長(zhǎng)文的形式,在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所周文彬團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新研究。據(jù)了解,該研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)水稻高產(chǎn)基因OsDREB1C,這一基因能夠提高作物光合作用利用效率、提高氮素利用率、縮短生育期,更重要的是,可以顯著提高作物產(chǎn)量。

科研人員進(jìn)行了多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn),在“日本晴”水稻中增強(qiáng)表達(dá)OsDREB1C基因,產(chǎn)量較野生型提高41.3%-68.3%,在“秀水134”水稻中,產(chǎn)量較野生型提高30.1%-41.6%。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士錢(qián)前評(píng)價(jià),此次發(fā)布的“水稻高產(chǎn)基因”成果,為下一步科研工作提供了重要基因資源和更多生產(chǎn)應(yīng)用可能。

圖片

Δ過(guò)表達(dá)材料(左)、野生型(中)、基因敲除材料(右)田間表型對(duì)比,過(guò)表達(dá)的水稻材料在光下的生長(zhǎng)速度比野生型更快。中國(guó)農(nóng)科院供圖

7年前的一次發(fā)現(xiàn)

2014年,《自然生物學(xué)技術(shù)》上的一篇文章引起了周文彬團(tuán)隊(duì)的注意。文章通過(guò)比較玉米和水稻,發(fā)現(xiàn)了調(diào)控玉米光合作用的118個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。

周文彬介紹,這118個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,在玉米和水稻中有一對(duì)一的同源基因。玉米和水稻都是禾本科植物,它們的產(chǎn)量卻大相徑庭,玉米的產(chǎn)量遠(yuǎn)高于水稻,幾乎是水稻的兩倍。這是因?yàn)?,它們具有不同的光合作用方式,玉米是碳四作物,其最大的特點(diǎn),是較碳三作物(如水稻、小麥等)具有更高的光合效率、氮素利用效率和水分利用效率。

這些功能,恰恰和產(chǎn)量密切相關(guān),光合作用將空氣中的二氧化碳同化為有機(jī)物,是作物生物量和產(chǎn)量的基礎(chǔ)。氮素則是葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸及代謝物的重要組成部分,也是產(chǎn)量形成的主要限制因子。

引起科學(xué)家們注意的是,同樣存在于玉米和水稻中的同源基因,為何會(huì)產(chǎn)生巨大的差別?

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)研究人員承擔(dān)了最初的鑒定任務(wù),他們是中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所博士研究生魏少博和李霞博士,也是該論文的共同第一作者。

這是一場(chǎng)漫長(zhǎng)的發(fā)現(xiàn)之旅,魏少博告訴記者,在不斷的鑒定和分析中,他們幾度面臨放棄的境地,但最終都堅(jiān)持了下來(lái)。命運(yùn)眷顧了他們,他們?cè)谒局?,鑒定到了一個(gè)同時(shí)受光和低氮誘導(dǎo)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C。

就是這個(gè)小小的轉(zhuǎn)錄因子,可能將是大幅度提高水稻產(chǎn)量的契機(jī)。

高產(chǎn)仍是最重要的追求

中國(guó)有14億人,占全球19%左右,但中國(guó)的耕地,只有全球的7%左右。這個(gè)龐大的國(guó)度,真正告別饑餓僅僅不到40年。尤其是近年以來(lái),全球受饑餓影響的人正在逐漸變多。最新發(fā)布的《2022年世界糧食安全和營(yíng)養(yǎng)狀況》報(bào)告指出,2021年全球受饑餓影響的人數(shù)達(dá)8.28億,世界糧食安全面臨著巨大挑戰(zhàn)。

因此,在農(nóng)業(yè)育種、尤其是糧食育種中,高產(chǎn)仍舊是最重要的追求之一。

周文彬介紹,二十世紀(jì)六十年代,“綠色革命”開(kāi)始,通過(guò)半矮化育種、雜交育種等品種選育,以及栽培管理技術(shù)的提升,作物產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了大幅度提升。

然而,近年來(lái),這種增長(zhǎng)正在進(jìn)入平臺(tái)期,單產(chǎn)的增幅正在變得緩慢,“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)?!?/p>

與此同時(shí),大量使用氮肥,仍是當(dāng)前農(nóng)作物增產(chǎn)的重要措施之一。但過(guò)量的氮肥使用,不僅不利于增產(chǎn),反而會(huì)帶來(lái)日益明顯的負(fù)面作用,包括環(huán)境污染問(wèn)題、作物“貪青晚熟”問(wèn)題。其中,“貪青晚熟”可能會(huì)影響復(fù)種,進(jìn)而影響到總體產(chǎn)量。

全球糧食生產(chǎn)的重重困境,使得作物大幅增產(chǎn)的需求和氮肥高效利用的需求日益迫切,這也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

OsDREB1C的發(fā)現(xiàn),給破解這些難題帶來(lái)了曙光。

田間漫長(zhǎng)的驗(yàn)證

鑒定完成后,是更加漫長(zhǎng)的試驗(yàn)過(guò)程。

周文彬告訴記者,團(tuán)隊(duì)科研人員選取了兩個(gè)品種做試驗(yàn),一個(gè)是日本晴,這是水稻研究中的模式作物,因?yàn)樗娜蚪M序列已經(jīng)測(cè)序完成,是優(yōu)良的試驗(yàn)對(duì)象。另一個(gè)品種,是當(dāng)前生產(chǎn)中正在使用的“秀水134”,這是一種常規(guī)粳稻品種,畝產(chǎn)可以達(dá)到600公斤。

在北京順義的作科所基地中,目前正種植著其中一種試驗(yàn)材料——日本晴。盡管還在苗期,但稻田中的作物長(zhǎng)勢(shì),已經(jīng)可以用肉眼分辨出來(lái)。

周文彬告訴記者,通過(guò)現(xiàn)代基因工程技術(shù)手段,科研人員構(gòu)建了敲除該基因的材料以及過(guò)表達(dá)的材料,將它們和未進(jìn)行操作的野生型進(jìn)行對(duì)比。

結(jié)果顯示,過(guò)表達(dá)該基因的水稻材料,在光下的生長(zhǎng)速度比野生型更快,光合作用速率顯著提升,籽粒的灌漿速率更快。與此同時(shí),在大田試驗(yàn)中,科研人員還發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)材料對(duì)氮素的利用效率顯著提升,在不施氮、中等施氮、高氮肥的三塊試驗(yàn)田中,在不施氮肥的條件下,過(guò)表達(dá)材料的產(chǎn)量可以達(dá)到甚至超過(guò)中等施氮條件下野生型的產(chǎn)量。

“我們有望實(shí)現(xiàn)減氮高產(chǎn)的目標(biāo)?!敝芪谋蛘f(shuō)。

在北京、杭州、三亞等地,科研人員進(jìn)行了多年、多點(diǎn)的田間試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),在日本晴過(guò)表達(dá)OsDREB1C之后,在北京可以實(shí)現(xiàn)顯著增產(chǎn),小區(qū)增產(chǎn)幅度達(dá)41.3%-68.3%。而秀水134在杭州可以實(shí)現(xiàn)30.1%-41.6%的增產(chǎn)。同時(shí),兩種試驗(yàn)材料,均有不同程度的早熟效果。

水稻增產(chǎn)的新途徑?

周文彬表示,新的研究,創(chuàng)新了作物高產(chǎn)的理論,同時(shí)也證實(shí)了一個(gè)基因調(diào)控多種生理功能的可能,OsDREB1C在水稻中的過(guò)表達(dá),具有光合效率高效、氮肥高效、早熟的三重效果,在提升水稻產(chǎn)量、降低氮肥使用、解決作物復(fù)種中茬口偏緊等實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題中,都有重要的作用。此外,OsDREB1C在小麥中也同樣存在高產(chǎn)早熟的保守性功能,使其具有廣泛應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。

該論文的三位評(píng)審,都對(duì)這一發(fā)現(xiàn)給予充分的肯定,其中一位評(píng)審認(rèn)為,“該研究的增產(chǎn)效果是了不起的、激動(dòng)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(dòng)水稻的可持續(xù)集約化生產(chǎn)?!?/p>

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院原副院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士萬(wàn)建民表示,“該基因的發(fā)現(xiàn),給我們提供了一個(gè)新的研究材料和基因資源,同時(shí)也給我們提供了無(wú)限的可能,但是下一步,還是需要科學(xué)組織,加快育種應(yīng)用?!?/p>

中國(guó)科學(xué)院院士楊維才也表示,“這是我國(guó)水稻研究成果里又一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn),為培育更加高產(chǎn)、氮素高效利用以及早熟作物品種提供了重要的基因資源?!?/p>

不過(guò),從新發(fā)現(xiàn),到真正應(yīng)用于實(shí)踐,仍有很長(zhǎng)的距離,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士錢(qián)前表示,此基因的發(fā)現(xiàn)“確實(shí)是育種的新曙光,在未來(lái),更需要做的是盡快把理論變成實(shí)際,用更快的速度實(shí)現(xiàn)應(yīng)用”。

來(lái)源:新京報(bào)
編輯:牛姣
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