基因界“尖子生”：高產早熟同步實現

過表達OsDREB1C基因的“日本晴”水稻高產早熟。受訪者供圖

　　從綠色革命改良作物株型，到雜交水稻大面積推廣，糧食單產增長了一倍多。

　　然而，此前研究表明，全球約24~39%的玉米、水稻、小麥以及大豆種植區域單產處于停滯不前甚至下降的態勢。

　　7月22日，《科學》在線發表了中國農業科學院作物科學研究所研究員周文彬團隊在水稻中發現的高產基因（OsDREB1C），它能夠同時提高光合作用效率和氮素利用效率，可提高作物產量30%以上。

　　《科學》論文評審專家認為，該團隊出色地完成了大量的田間試驗工作，包括不同作物、不同地點的多年田間試驗，呈現了全面而可靠的實驗結果。該研究結果是了不起的、激動人心的、并具有潛在影響力的，如果將其應用到實際農業生產中，必將進一步推動水稻等作物可持續集約化生產。

　　提高單產是確保糧食安全的主要途徑

　　上世紀60年代開始的以矮化育種為特征的“綠色革命”，通過引入矮稈基因改良作物株型以及提高栽培管理技術，使得全世界水稻產量翻了一番。

　　本世紀，由袁隆平院士主導培育的雜交水稻大面積推廣應用，實現了作物增產20%以上。

　　然而，聯合國糧農組織的數據顯示，近年來受新冠肺炎疫情、極端氣候、地緣沖突等影響，全球饑餓人口持續上升，2021年世界受饑餓影響的人數達8.28億。

　　同時，未來世界人口持續增長，預測到本世紀中葉，糧食產量至少增加50~60%才能滿足需求，因此需要持續提高作物單產水平。

　　另一方面，近年來作物單產增長已進入一個平臺期，受到氣候變化影響，有的地區甚至出現了單產下降趨勢。

　　“在有限耕地面積的情況下，提高作物單產是確保糧食安全的主要途徑。”論文通訊作者周文彬研究員告訴《中國科學報》。

　　此外，施用氮肥是農作物增產的重要措施之一。近年來，大量氮肥的過量施用不僅沒有帶來作物產量的持續提高，反而導致了嚴重的環境污染問題，如土壤酸化、水體富營養化、溫室氣體排放等。

　　“因此，同時提高作物產量和氮素利用效率需要新的途徑和策略。”周文彬說。

　　118個候選因子：站在前人的肩膀上

　　然而，這是一件極具挑戰性的工作。“只要有1%的希望我們就要嘗試。”周文彬就帶領著團隊從他“執著”了20余年的光合作用研究入手。

　　碳和氮是植物生長發育必需的最主要的大量營養元素，也是細胞的主要構成成分。

　　一方面，植物通過地上部葉片進行光合作用，將大氣中的二氧化碳同化為有機物，完成碳的固定，是作物生物量和產量形成的基礎；另一方面，植物通過地下部根吸收氮素，也是作物產量形成的關鍵限制因子。

　　“植物依靠光合作用固定碳素，依靠根吸收氮素，這兩個過程緊密相連，并對作物產量的形成至關重要。”周文彬說，如何在提高作物光合作用效率的同時，提高氮素利用效率、促進作物碳氮代謝協同，從而實現作物高產高效，是當前農業科學領域重要的科學問題之一。

　　為此，科學家對比研究了產量相對于水稻、小麥更高的玉米等作物。

　　2014年，發表在《自然—生物技術》的研究鑒定到了118個玉米和水稻共有的與光合作用過程密切相關的轉錄因子。

　　“我們站在前人的肩膀上，以這118個轉錄因子為切入點，逐一分析它們在水稻中光照條件和低氮條件的誘導表達情況，鑒定到一個同時受光和低氮調控的轉錄因子OsDREB1C。”周文彬說。

　　為了驗證這個基因的功能，此后，該團隊進行了不同作物、不同地點的多年田間試驗。

　　“多面手”明星基因

　　“其實我們篩選到的是一個明星基因。”周文彬告訴記者，轉錄因子OsDREB1C在擬南芥等模式植物中備受關注，但此前并沒有科學家關注它與糧食作物產量關系。

　　論文共同第一作者、作科所李霞博士告訴《中國科學報》，他們在不同的作物中對轉錄因子OsDREB1C進行了增強基因表達的操作，并觀察他們的田間表現。

　　論文共同第一作者、作科所博士研究生魏少博負責管理田間實驗。他告訴記者，2018年至2022年，該團隊在北京、三亞、杭州進行了多年多點田間試驗。

　　結果顯示，在水稻品種“日本晴”中過表達OsDREB1C基因，比對照組產量提高41.3~68.3%；在南方栽培稻品種“秀水134”中過量表達該基因，較對照組產量提高30.1~41.6%。

　　“該基因的增產幅度特別大，這是很少見的。”美國國家科學院院士朱健康希望，未來能把這個基因應用在生產上，讓育種家和農民都能夠用到它，真正在田里看到這么高產的水稻或者其他的作物。

　　與此同時，這一款明星基因還可提高水稻氮素利用效率。過表達OsDREB1C基因可使水稻對氮素的吸收和轉運能力增強，將更多的氮素分配到籽粒中，氮素利用效率較對照組提高25.8~56.6%。

　　“在不施用氮肥條件下，OsDREB1C基因過表達植株的產量已達到甚至高于對照組在施用氮肥條件下的產量水平，實現了‘減氮高產’。”李霞說。

　　然而，OsDREB1C基因的“能力”并沒有止步于此——它還可以促進水稻早開花早結實提前收獲。魏少博介紹，在北京，過表達OsDREB1C基因水稻日本晴可較對照組提前抽穗13~19天；在杭州可讓“秀水134”抽穗期至少提前2天。

　　“‘吃’的更多，‘喝’的更多，‘消化’很好，應該是它導致高產的原因。”周文彬說，進一步研究探明了OsDREB1C基因的調控機制——它在植物體內起到“分子開關”的作用，分別與作用于光合作用的碳同化基因、氮素吸收轉運基因以及開花途徑基因等多個下游靶基因直接結合并激活轉錄，提高相關基因的表達水平，進而協同調控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期等三個生理過程，實現高產早熟、綠色高效。

　　田間應用尚待時日

　　為了驗證OsDREB1C基因在不同作物中可能產生的“影響力”，該團隊進一步在普通小麥品種“Fielder”以及模式植物擬南芥中，構建了過表達OsDREB1C基因的材料，并對其進行多物種功能驗證。

　　結果發現，該基因在小麥中同樣具有高產早熟的功能。它可讓小麥田間增產17.2~22.6%，早熟3~6天。

　　中國工程院院士萬建民說，該研究的重要性不僅在于發現單一基因可同時調控多個重要生理途徑，打破長期存在于農業生產中“高產”與“早熟”之間的矛盾；同時，OsDREB1C基因在不同作物中的保守性功能使其具有巨大的應用前景與發展潛力，對推動農業可持續集約化生產具有重要意義。

　　中國科學院院士楊維才認為，這個基因的發現無疑具有重要的科學價值和應用前景，其應用將實現對水稻和其他作物的改良，并為保障國家糧食安全、生態安全做出更大的貢獻。

　　不過，周文彬強調，從實驗室到農田，還有很多工作要做。下一步，該團隊將深入開展該基因在主要糧食作物（包括玉米、大豆）中的功能和作用機制研究，并評估其抗逆性及田間產量性狀，探索高產早熟新品種大田生產模式，加快突破制約作物單產水平快速提升的瓶頸。

　　“通過對光合作用、氮素利用、開花等三個生理過程的聚合調控，實現高產高效、高產早熟的協同，為未來通過協同改良多個生理性狀，實現作物大幅度增產以及資源高效利用提供了新思路、新策略，將有力推動作物遺傳育種以及作物生理學研究的發展。”萬建民說。