7月22日,，《科學(xué)》（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(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%,。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長、中國科學(xué)院院士錢前評價(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。

過表達(dá)材料（左）,、野生型（中）,、基因敲除材料（右）田間表型對比，過表達(dá)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(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(jiān)持了下來,。命運(yùn)眷顧了他們，他們在水稻中,，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(gè)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(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(shí)現(xiàn)了大幅度提升,。

然而,，近年來，這種增長正在進(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,。”

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。但過量的氮肥使用,，不僅不利于增產(chǎn),，反而會(huì)帶來日益明顯的負(fù)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(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了曙光,。

田間漫長的驗(yàn)證

鑒定完成后,，是更加漫長的試驗(yàn)過程。

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)測序完成,，是優(yōu)良的試驗(yàn)對象,。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(dá)的材料,，將它們和未進(jìn)行操作的野生型進(jìn)行對比。

結(jié)果顯示,，過表達(dá)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(shí)，在大田試驗(yàn)中,，科研人員還發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)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(yàn)田中,，在不施氮肥的條件下,，過表達(dá)材料的產(chǎn)量可以達(dá)到甚至超過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。

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(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>

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(gè)新的研究材料和基因資源,，同時(shí)也給我們提供了無限的可能，但是下一步,，還是需要科學(xué)組織,，加快育種應(yīng)用?！?/p>

中國科學(xué)院院士楊維才也表示,，“這是我國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，從新發(fā)現(xiàn),，到真正應(yīng)用于實(shí)踐,，仍有很長的距離，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長,、中國科學(xué)院院士錢前表示,，此基因的發(fā)現(xiàn)“確實(shí)是育種的新曙光，在未來,，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”。

新京報(bào)記者周懷宗