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中国科学家发现水稻高产基因可提高光合作用及氮素利用效率让水稻

发布时间:2022-09-26 02:56:45 来源:欧宝娱乐平台网页版登录 作者:欧宝娱乐登录入口

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中国科学家发现水稻高产基因可提高光合作用及氮素利用效率让水稻

【概要描述】中国科学家发现水稻高产基因可提高光合作用及氮素利用效率让水稻

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  在北京顺义,有一块面积不小的稻田。这是中国农业科学院作物科学研究所的试验田。

  前不久,该所周文彬研究员团队,发现了水稻高产基因(OsDREB1C),可同时提高氮素利用效率和光合作用效率,可将作物产量提高 30% 以上。

  中科院院士杨维才评价称:“这个基因的发现无疑具有重要的科学价值和应用前景,其应用将实现对水稻和其他作物的改良,并为保障国家粮食安全、生态安全做出更大的贡献。”

  中科院院士李家洋评价称:“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。”

  在田间实验中,他们观察到 OsDREB1C 能让水稻提前抽穗,从而缩短整个生长周期。在“秀水 134”水稻品种中过量表达该基因,抽穗期至少提前 2 天,田间产量较野生型提高 30.1~41.6%,同时收获指数提高 14.8~15.7%。

  在北京的长日照条件下,在水稻品种“日本晴”中,过表达该基因之后可提前抽穗 13-19 天,这能将水稻产量提高 41.3~68.3%,收获指数提高 40.3~55.7%。

  民以食为天,每年的中国中央一号文件均和农业相关,以至于“中央一号文件”已成为说明农村问题备受重视的专有名词。

  粮食安全是件大事。但是,随着世界人口的持续增长和耕地面积的不断缩减,加之国际冲突、极端气候和新冠疫情的影响,全球粮食安全问题日趋严峻。因此,世界粮食安全面临着巨大挑战。

  作为世界人口第一大国的中国,粮食安全是维护国家安全的重要基石。近年来,中国粮食产量稳中有升,但粮食进口量也呈现逐年快速增长的趋势,粮食自给率由 2000 年的 93.6% 降至 2020 年的 65.8%。

  与此同时,随着现代化和城镇化进程的推进,过去 10 年间耕地面积共减少 1.13 亿亩。预测 2030 年中国人口将达 14.5 亿,因此国内的水稻、小麦、玉米等主要粮食作物的生产能力须提高 20% 以上。

  作为世界化肥消费第一大国,中国每年的氮肥用量占世界总施用量的 35% 以上。2000 年之后,中国氮肥施用量仍以每年 3% 的速度增加。

  氮肥的过量施用,不仅没有持续提高作物产量,反而导致了严重的环境污染问题(包括土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等),以及作物“贪青晚熟”的现象,进而影响作物产量和后茬作物播种。

  众所周知,玉米的产量远高于水稻和小麦,几乎是它们的两倍,主要原因在于它们的光合作用方式不同。

  玉米属于碳四(C4)植物,具有独特花环结构(Kranz anatomy)的维管束鞘细胞,能将更多的 CO2 浓缩至核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)周围,进而提高 RubisCO 的羧化效率,降低光呼吸的消耗,实现对光能的高效利用。同时,玉米的氮素利用效率和水分利用效率都比较高。

  而水稻和小麦属于碳三(C3)植物,光合作用仅在叶肉细胞中进行,其光合效率远低于 C4 植物,产量也相对较低。

  如何使水稻等 C3 作物,具备 C4 作物的高光合效率、以及高氮素利用效率等优点,借此培育出高产、高效协同的作物新品种,是当前作物科学领域的国际前沿热点。

  从具体原理来讲,光合作用是地球上一切生命物质和能量的基础,植物通过光合作用将 CO2 同化为有机物,是作物生物量和产量形成的基础。

  另一方面,植物通过地下部根吸收的氮素,是叶绿素、氨基酸、蛋白、核酸以及次级代谢物等的重要组成成分,也是作物生长发育和产量形成的关键限制因子。

  因此,只有作物地上部地下部的碳氮代谢协同才能实现作物高产和氮肥高效的统一。

  其中,第一作者魏少博也是田间实验的“管理员”。过去四年间,课题组辗转北京、三亚、杭州多地下田做实验。

  此次论文中提到的 OsDREB1C 基因,在不同作物中具有保守性功能,这使其可能具有广泛的应用前景与发展潜力,有望用于水稻、小麦、大豆等主要粮食作物、以及蔬菜等园艺作物。

  此外在作物复种系统中,面对整地时间短、茬口偏紧等实际生产问题,OsDREB1C 基因的早熟特性,也可助力缓解这一难题。

  整体来看,该研究为未来实现“绿色高效”的粮食生产提供了可行的解决方案,对于增加中国粮食自给能力、减少粮食进口、保障国家粮食安全、以及推动农业可持续集约化生产具有重要意义。

  其中一位审稿人表示,这是一项令人信服的研究,认为该课题组高质量地完成了大量试验,清晰而全面地阐明了水稻高产早熟的生理分子机制,令人印象深刻。

  植物生物学家、美国国家科学院院士朱健康评价称,“该基因的增产幅度大,这是很少见的。”

  2014 年,一篇发在 Nature Biotechnology 的论文,展示了 118 个转录因子,为学界研究玉米和水稻的光合作用提供了重要借鉴。

  对于 118 个转录因子、在水稻光照条件和低氮条件中的诱导表达情况,周文彬团队鉴定出转录因子 OsDREB1C,发现它能同时被光和低氮调控。基因的功能到底如何?为此,课题组针对不同作物,在不同地点开展了多年的田间试验。

  其一,通过构建过表达、以及基因敲除材料,进一步研究其生理功能(过表达是将目的基因在宿主细胞大量表达的过程)。

  其二是大田表型和生理功能分析阶段。该团队通过大田试验发现,OsDREB1C 过表达水稻材料的产量,比野生型有着显著提高。

  课题组通过生理功能的研究发现,比起野生型的光合速率,OsDREB1C 过表达的植株有着显著提高,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,能将更多的氮素分配到籽粒中,从而显著提高了氮素利用效率。

  而在田间的不同施氮条件下,产量试验表明在不施用氮肥的条件下,OsDREB1C 过表达植株的产量,已达到、甚至高于野生型在施用氮肥条件下的产量水平,即实现了“减氮不减产”。

  需要说明的是,OsDREB1C 实现“高产早熟”的基础,在于其光合效率和氮素利用效率的协同提高:即在营养生长阶段快速地生长,以便积累足够多的生物量,同时在生殖生长阶段将大量的碳氮同化产物分配至籽粒中,最终让产量显著提升。

  其三是分子机制解析的阶段。期间,该团队进一步利用多种试验手段解析 OsDREB1C 发挥生理功能的分子作用机制。通过 ChIP-seq、DAP-seq 和 RNA-seq 等方法,找到了 OsDREB1C 调控的 345 个下游靶基因。

  借助 GO 富集的分析,研究人员发现 OsDREB1C 主要参与调控“跨膜运输”“氮素代谢”“初级代谢过程”“响应胁迫”“花发育调控”“响应光刺激”等生物过程,其中包括分别作用于光合(OsRBCS3)、氮素利用(OsNRT1.1B、OsNRT2.4、OsNR2)和开花(OsFTL1)等途径的靶基因。

  通过 ChIP-qPCR 和 EMSA 等实验,该团队证实 OsDREB1C 能够直接结合在 OsRBCS3 的启动子、OsNR2、OsNRT2.4、OsNRT1.1B 以及 OsFTL1 的外显子上,进而激活这些基因的表达,从而协同调控光合效率、氮素利用效率、以及抽穗期等三个生理过程。

  其四是多物种验证的阶段。该团队通过在高产栽培稻品种“秀水 134”、普通小麦品种“Fielder”以及拟南芥中进行多物种验证,发现过表达 OsDREB1C 均具有提高产量、或生物量、以及促进开花的保守性功能。

  未来,课题组将通过常规育种、以及基因编辑育种等手段,创制水稻、小麦等新种质和材料;也将进一步通过转基因等手段创制玉米、大豆、油菜等作物高产种质材料;同时还计划开展大田配套栽培技术研究,以在大田生产条件下评估该基因在不同作物中的增产效果,从而探索高产早熟新品种的大田生产模式。

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