本报记者 高志民
国际著名学术期刊《科学》日前发表研究论文，由中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员团队领衔与国内外相关团队合作，历时7年，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，显著提高水稻产量，并缩短生育期。
美国国家科学院院士朱健康认为，“该基因的增产幅度大，这是很少见的。”牛津大学植物科学系Steven Kelly教授认为，这项研究证明通过提高光合作用来增加作物单产是可行的，在经历了数千年的驯化育种后，通过挖掘植物基因组中未知的光合作用相关基因、实现作物产量的提升具有巨大潜力。
重大产量突破均来自基因发现
水稻被称作“亚洲的粮食”，亚洲有20亿居民以水稻为主食。中国是亚洲也是世界水稻种植面积和产量最多的国家。据介绍，水稻在历史上至少有两次产量突破，第一次是以矮化育种为特征的绿色革命，这使得世界水稻产量翻了一倍。第二次是我国以袁隆平为代表的科学家发明的杂交水稻育种技术，杂交水稻产业化，使我们的水稻产量提高20%~30%，这两次产量的飞跃都得益于重大基因的发现。第一次是因为水稻sd1半矮秆基因的发现，第二次是野生稻的雄性不育基因的发现。
水稻产量的增加还有一个很重要的因素是施用氮肥，氮肥施用可以显著增加作物的产量，正因为这样，我国2000年之后氮肥的施用量仍以每年3%的速率增加，我国氮肥的施用量占到全世界的1/3。氮肥施用过量也带来一系列的环境问题，比如说土壤酸化、水体富营养化，温室气体排放等。
“中国稻芯”来之不易
如何进一步提高产量又能减少氮肥的投入？中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究员团队找到了“中国稻芯”。
“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CO_2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。”周文彬告诉记者。
“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。从植物进化角度来看，从C3到C4的植物演化，至少经历了66次。”周文彬介绍说。
早在2014年，有研究通过比较C4作物玉米和C3作物水稻叶片的转录组和代谢组，发现118个潜在参与调控C4光合作用的转录因子。在本研究中，周文彬团队从光合碳同化和氮素吸收利用协同调控作物产量出发，以这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进行筛选。首先分析低氮条件下是否诱导表达，一共筛选出13个基因，进一步分析这13个基因是否受光的诱导，鉴定出3个基因。其中有一个基因OsDREB1C在光下呈现高水平表达，这个基因就成为了他们的目标基因。
“绿色高效”可期
“过表达（过表达是指将目的基因的全长序列与高活性组成型启动子融合构建成质粒载体，通过转化，获得该基因产物大量积累的生物体）OsDREB1C之后的水稻幼苗在光下的生长速度比野生型对照更快，但在完全黑暗的条件下是没有差异的。深入分析发现水稻的叶片色素含量、光合膜蛋白复合体的含量都有显著提高，另外光合作用关键酶RubisCO的含量和活性均高于对照。”周文彬介绍说，在大田条件下对于光合作用效率的研究发现，过表达的水稻材料光合同化速率显著提升，叶片中积累了大量的光合同化产物，籽粒灌浆速度更快。
同时，过表达植株对氮素的吸收转运能力增强，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对照施用氮肥条件下的产量水平。
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，较对照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，较对照产量提高30.1%~41.6%，同时收获指数提高14.8%~15.7%。
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，在“日本晴”背景下过表达OsDREB1C水稻可较对照提前抽穗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。
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。
中国工程院院士、中国农业科学院原副院长万建民表示，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，打破了长期存在于农业生产中的“高产”与“早熟”之间的矛盾，为实现作物高产和资源高效利用提供了潜在的解决方案，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。
