7月22日，《科學》（Science）雜志以研究長文的形式,，在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所周文彬團隊的一項新研究,。據(jù)了解，該研究發(fā)現(xiàn)了一個水稻高產(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。

科研人員進行了多年多點的田間試驗,，在“日本晴”水稻中增強表達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%,。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所所長、中國科學院院士錢前評價,，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。

過表達材料（左）、野生型（中）,、基因敲除材料（右）田間表型對比,，過表達的水稻材料在光下的生長速度比野生型更快。中國農(nóng)科院供圖

7年前的一次發(fā)現(xiàn)

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

周文彬介紹,，這118個轉(zhuǎn)錄因子，在玉米和水稻中有一對一的同源基因,。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)量遠高于水稻,，幾乎是水稻的兩倍。這是因為,，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,，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,，為何會產(chǎn)生巨大的差別？

兩個團隊研究人員承擔了最初的鑒定任務(wù),，他們是中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學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。

這是一場漫長的發(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，但最終都堅持了下來,。命運眷顧了他們,，他們在水稻中，鑒定到了一個同時受光和低氮誘導表達的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C,。

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

高產(chǎn)仍是最重要的追求

中國有14億人,，占全球19%左右,，但中國的耕地，只有全球的7%左右,。這個龐大的國度,，真正告別饑餓僅僅不到40年。尤其是近年以來,，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養(yǎng)狀況》報告指出，2021年全球受饑餓影響的人數(shù)達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,，二十世紀六十年代,，“綠色革命”開始，通過半矮化育種,、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)量實現(xiàn)了大幅度提升,。

然而,，近年來，這種增長正在進入平臺期,，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,。”

與此同時,，大量使用氮肥,，仍是當前農(nóng)作物增產(chǎn)的重要措施之一,。但過量的氮肥使用，不僅不利于增產(chǎn),，反而會帶來日益明顯的負面作用,，包括環(huán)境污染問題、作物“貪青晚熟”問題,。其中,，“貪青晚熟”可能會影響復種，進而影響到總體產(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，這也是當前農(nóng)業(yè)科學研究中的難點和熱點,。

OsDREB1C的發(fā)現(xiàn),，給破解這些難題帶來了曙光。

田間漫長的驗證

鑒定完成后,，是更加漫長的試驗過程,。

周文彬告訴記者，團隊科研人員選取了兩個品種做試驗,，一個是日本晴,，這是水稻研究中的模式作物，因為它的全基因組序列已經(jīng)測序完成,，是優(yōu)良的試驗對象。另一個品種,，是當前生產(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材料——日本晴。盡管還在苗期,，但稻田中的作物長勢,，已經(jīng)可以用肉眼分辨出來。

周文彬告訴記者,，通過現(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表達的材料，將它們和未進行操作的野生型進行對比,。

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

“我們有望實現(xiàn)減氮高產(chǎn)的目標?！敝芪谋蛘f,。

在北京、杭州,、三亞等地,，科研人員進行了多年、多點的田間試驗,，結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在日本晴過表達OsDREB1C之后，在北京可以實現(xiàn)顯著增產(chǎn),，小區(qū)增產(chǎn)幅度達41.3%-68.3%,。而秀水134在杭州可以實現(xiàn)30.1%-41.6%的增產(chǎn)。同時,，兩種試驗材料,，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,，同時也證實了一個基因調(diào)控多種生理功能的可能,，OsDREB1C在水稻中的過表達，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,、解決作物復種中茬口偏緊等實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題中，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。

該論文的三位評審,，都對這一發(fā)現(xiàn)給予充分的肯定,，其中一位評審認為，“該研究的增產(chǎn)效果是了不起的,、激動人心的,，并具有潛在影響力的，如果將其應(yīng)用到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,，必將進一步推動水稻的可持續(xù)集約化生產(chǎn),。”

中國農(nóng)業(yè)科學院原副院長,、中國工程院院士萬建民表示,，“該基因的發(fā)現(xiàn)，給我們提供了一個新的研究材料和基因資源,，同時也給我們提供了無限的可能,，但是下一步，還是需要科學組織,，加快育種應(yīng)用,。”

中國科學院院士楊維才也表示,，“這是我國水稻研究成果里又一項重要發(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，從新發(fā)現(xiàn),，到真正應(yīng)用于實踐，仍有很長的距離,，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所所長,、中國科學院院士錢前表示，此基因的發(fā)現(xiàn)“確實是育種的新曙光,，在未來,，更需要做的是盡快把理論變成實際，用更快的速度實現(xiàn)應(yīng)用”,。

新京報記者周懷宗