Science|中国农科院学者发现水稻高产基因


发布时间:

2022-07-23

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

  近日,中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员领衔,在水稻中研究发现了水稻高产基因(OsDREB1C),能够同时提高光合作用效率和氮素利用效率,可显著提高作物产量。此外,OsDREB1C可使水稻提前抽穗,缩短生育期。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,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。7月22日,相关研究成果在国际著名学术期刊《科学》(Science)杂志以研究长文的形式在线发表。

 

 

  上世纪60年代开始的绿色革命,通过作物品种选育以及栽培管理技术的提高,实现了作物产量大幅提升。然而,近年来作物单产增长缓慢,全球约24-39%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。此外,施用氮肥是农作物增产的重要措施之一,我国是世界化肥消费第一大国,每年氮肥用量占世界总施用量的35%以上。近年来,大量氮肥的过量施用不仅没有带来作物产量的持续提高,反而导致了严重的环境污染问题(如土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等)。因此,进一步提高作物单产和氮肥利用效率需要新的途径和策略。

 

  光合作用是地球上一切生命物质和能量的基础,植物通过光合作用过程将CO2同化为有机物,完成碳的同化;另一方面,氮素是叶绿素、蛋白质、核酸及代谢物的重要组成成分,是作物生长发育必需的大量元素。光合碳同化及氮素吸收利用过程紧密偶联,对作物生长发育和产量形成至关重要,作物碳-氮代谢协同是作物实现高产的基础。

 

  众所周知,玉米属于碳四(C4)作物,水稻和小麦属于碳三(C3)作物,C4作物由于其在叶片结构和生理生化上的特殊性,通常比C3作物有着更高的光合作用效率、氮素利用效率以及水分利用效率,产量也相对较高。

 

  在该项研究中,研究人员从光合碳同化和氮素吸收利用协同调控出发,以先前报道的潜在参与调控玉米光合作用的118个转录因子为切入点,通过分析它们在水稻中的同源基因在光下和低氮条件下的诱导表达情况,在水稻中鉴定到一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C

 

  研究发现,OsDREB1C基因能提高水稻光合作用效率和氮素利用效率。OsDREB1C过表达植株较野生型光合碳同化速率显著提高,在光下生长速度更快,并且叶片中积累更多光合同化产物。同时,过表达植株对氮素的吸收转运能力增强,并能将更多的氮素分配到籽粒中,氮素利用效率显著提高。大田氮肥试验表明,在不施用氮肥条件下,OsDREB1C过表达植株产量已达到甚至高于野生型施用氮肥条件下的产量水平。

 

  OsDREB1C基因可显著提高水稻产量。团队通过2018年至2022年间在北京、三亚、杭州的多年多点田间试验发现,在水稻品种“日本晴”中过表达OsDREB1C基因,较野生型可实现水稻显著增产,产量提高41.3~68.3%,收获指数提高40.3~55.7%;在栽培稻品种“秀水134”中过量表达该基因,较野生型产量提高30.1~41.6%,同时收获指数提高14.8~15.7%。

 

  图1.OsDREB1C促进水稻高产早熟

 

  此外,研究还意外发现,过表达OsDREB1C可使水稻抽穗期提前,并缩短整个生育周期。在北京种植条件下,过表达OsDREB1C水稻(日本晴)可较野生型提前抽穗13-19天,在栽培水稻品种“秀水134”中过表达该基因,抽穗期可至少提前2天。

 

  OsDREB1C基因在小麦中同样具有高产早熟的功能。通过在普通小麦品种(Fielder)中表达OsDREB1C基因进行功能验证,发现可使小麦田间增产17.2~22.6%,早熟3-6天,说明OsDREB1C基因在不同作物中均具有提高产量、促进提前抽穗的保守性功能。

 

  图2. 过表达OsDREB1C使小麦增产早熟

 

  进一步分子机理解析表明,OsDREB1C转录因子在植物体内起到“分子开关”的作用,通过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,进而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。

 

  口粮绝对安全是保障中国粮食安全的关键,预计到2030年我国人口将达14.5亿,我国水稻、小麦等主要农作物产量须提高20%才能满足需求,不断提高作物单产水平是解决粮食缺口的重要途径。该研究在作物中发现可协同调控多个重要生物学途径的单一基因,使作物同时实现高产、早熟以及氮素高效利用,为作物高产和减少氮肥施用、实现“绿色高效”提供了可行的解决方案,对于未来作物新品种和新种质的培育以及大田栽培耕作模式的变革具有重要的理论价值。

 

  图3. OsDREB1C转录因子的分子与生理作用机制

 

  值得一提的是,Science同期刊发了牛津大学STEVEN KELLY教授撰写的题为The quest for more food的评论文章,对该工作给予了高度评价。

 

 

  此外,国内外多位知名专家,均对该研究给予了高度评价。SCIENCE期刊论文评审专家认为“作者出色地完成了大量的田间试验工作,包括不同作物、不同地点的多年田间试验,呈现了全面而可靠的实验结果。该研究结果是了不起的、激动人心的并具有潜在影响力的,如果将其应用到实际农业生产中,必将进一步推动水稻等作物的可持续集约化生产。”

 

  德国科学院院士、德国马普分子植物生理研究所所长Ralph Bock教授评价“这是一项令人印象十分深刻的研究,作者通过严谨的实验获得了大量高质量的数据,相信这一研究会在科学界引发兴趣和热议。”

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士等7月22日在Molecular Plant杂志以“Spotlight”形式发表了题为“An unprecedented one-arrow-two-hawks strategy achieves high yield with early flowering in rice”的点评文章,总结了该研究成果,并指出该研究是作物高产早熟育种研究领域的一项重大突破,未来有望应用于水稻、小麦等口粮作物以及蔬菜等园艺作物,破解当前制约作物单产水平快速提升的瓶颈。

 

  中国农业科学院作物科学研究所万建民院士评价“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;同时,该基因在不同作物中的功能保守性使其具有巨大的应用前景与发展潜力,对推动农业可持续集约化生产具有重要意义;更重要的是,该研究通过对三个生理过程——光合作用、氮素利用、开花的聚合调控从而实现高产高效的协同,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”。

 

  中国科学院植物科学研究所种康院士评价“该研究以作物碳-氮代谢协同为思路,发现了OsDREB1C转录因子具有同时协同调控光合作用、氮素吸收利用以及抽穗期三个重要生理过程的功能,实现了作物“高产和氮素高效”、“高产和早熟”的双协同。这一通过单一基因改良多个生理性状、实现产量突破的创新性研究,对于作物遗传育种以及大田栽培耕作研究均具有重要的理论价值和指导作用”。

 

  中国农业科学院作物科学研究所博士研究生魏少博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。此外,中国农科院作物科学研究所的钱前院士、赵明研究员和路则府研究员、中国水稻研究所王丹英研究员和陈松研究员、中国农科院深圳农业基因组所的商连光研究员、上海师范大学的黄继荣教授和张辉教授、北京大学的周岳教授、上海植物生理生态研究所的王鹏研究员以及德国马普分子植物生理研究所的Ralph Bock教授参与了本研究。本研究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。

推荐新闻

石时之约|韩志国:透过表型数据,看见植物的喜怒哀乐!

本期石时之约,我们将对话慧诺瑞德(北京)科技有限公司总经理、国际植物表型学会(IPPN)执委会委员/工业分会副主席韩志国,一起从表型数据的科学角度,去读懂农作物的喜怒哀乐和前世今生。

慧科研、慧育种、慧种田——慧聚改变的力量

让我们“慧聚”在一起,为“慧科研、慧育种、慧种田”赋能。

高通量植物表型平台建设注意事项

育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

作物生理表型测量基础原理

生理表型测量的核心在于“早、快”,要在肉眼可见之前就能测量并预判出变化趋势,才是这个技术的核心价值。叶绿素荧光成像,恰好满足了这个要求。