Science重磅：中国农科院周文彬团队发现单个基因

作者：杨超月

从绿色革命改良作物株型，到杂交水稻大面积推广，粮食单产增长了一倍多。
然而，此前研究表明，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。
2022年7月22日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬团队在 Science 期刊在线发表了题为：A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice 的研究论文。
该研究表明，在水稻中发现的高产基因——OsDREB1C，能够同时提高光合作用效率和氮素利用效率，可提高作物产量30%以上。Science 论文评审专家认为，该团队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可持续集约化生产。
提高单产是确保粮食安全的主要途径
上世纪60年代开始的以矮化育种为特征的“绿色革命”，通过引入矮秆基因改良作物株型以及提高栽培管理技术，使得全世界水稻产量翻了一番。
本世纪，由袁隆平院士主导培育的杂交水稻大面积推广应用，实现了作物增产20%以上。
然而，联合国粮农组织的数据显示，近年来受新冠肺炎疫情、极端气候、地缘冲突等影响，全球饥饿人口持续上升，2021年世界受饥饿影响的人数达8.28亿。
同时，未来世界人口持续增长，预测到本世纪中叶，粮食产量至少增加50~60%才能满足需求，因此需要持续提高作物单产水平。
另一方面，近年来作物单产增长已进入一个平台期，受到气候变化影响，有的地区甚至出现了单产下降趋势。
论文通讯作者周文彬研究员表示，在有限耕地面积的情况下，提高作物单产是确保粮食安全的主要途径。
此外，施用氮肥是农作物增产的重要措施之一。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，同时提高作物产量和氮素利用效率需要新的途径和策略。”周文彬说。
118个候选因子：站在前人的肩膀上
然而，这是一件极具挑战性的工作。“只要有1%的希望我们就要尝试。”周文彬就带领着团队从他“执着”了20余年的光合作用研究入手。
碳和氮是植物生长发育必需的最主要的大量营养元素，也是细胞的主要构成成分。
一方面，植物通过地上部叶片进行光合作用，将大气中的二氧化碳同化为有机物，完成碳的固定，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氮素，也是作物产量形成的关键限制因子。
“植物依靠光合作用固定碳素，依靠根吸收氮素，这两个过程紧密相连，并对作物产量的形成至关重要。”周文彬说，如何在提高作物光合作用效率的同时，提高氮素利用效率、促进作物碳氮代谢协同，从而实现作物高产高效，是当前农业科学领域重要的科学问题之一。
为此，科学家对比研究了产量相对于水稻、小麦更高的玉米等作物。
2014年，发表在 Nature Biotechnology 的一项研究鉴定到了118个玉米和水稻共有的与光合作用过程密切相关的转录因子。
周文彬表示，我们站在前人的肩膀上，以这118个转录因子为切入点，逐一分析它们在水稻中光照条件和低氮条件的诱导表达情况，鉴定到一个同时受光和低氮调控的转录因子——OsDREB1C。
为了验证这个基因的功能，此后，该团队进行了不同作物、不同地点的多年田间试验。
“多面手”明星基因
周文彬表示，其实我们筛选到的是一个明星基因。转录因子 OsDREB1C 在拟南芥等模式植物中备受关注，但此前并没有科学家关注它与粮食作物产量的关系。
研究团队在不同的作物中对转录因子OsDREB1C进行了增强基因表达的操作，并观察他们的田间表现。在2018年至2022年，研究团队在北京、三亚、杭州进行了多年多点田间试验。
结果显示，在水稻品种“日本晴”中过表达 OsDREB1C 基因，比对照组产量提高41.3-68.3%；在南方栽培稻品种“秀水134”中过量表达该基因，较对照组产量提高30.1-41.6%。过表达OsDREB1C基因的“日本晴”水稻高产早熟
“该基因的增产幅度特别大，这是很少见的。”美国国家科学院院士朱健康希望，未来能把这个基因应用在生产上，让育种家和农民都能够用到它，真正在田里看到这么高产的水稻或者其他的作物。
与此同时，这一款明星基因还可提高水稻氮素利用效率。过表达 OsDREB1C 基因可使水稻对氮素的吸收和转运能力增强，将更多的氮素分配到籽粒中，氮素利用效率较对照组提高25.8~56.6%。
在不施用氮肥条件下，OsDREB1C 基因过表达植株的产量已达到甚至高于对照组在施用氮肥条件下的产量水平，实现了“减氮高产”
然而，OsDREB1C基因的“能力”并没有止步于此——它还可以促进水稻早开花早结实提前收获。在北京，过表达OsDREB1C基因水稻日本晴可较对照组提前抽穗13~19天；在杭州可让“秀水134”抽穗期至少提前2天。过表达OsDREB1C在田间促进水稻增产和早熟
周文彬表示，‘吃’的更多，‘喝’的更多，‘消化’很好，应该是它导致高产的原因。进一步研究探明了 OsDREB1C 基因的调控机制——它在植物体内起到“分子开关”的作用，分别与作用于光合作用的碳同化基因、氮素吸收转运基因以及开花途径基因等多个下游靶基因直接结合并激活转录，提高相关基因的表达水平，进而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期等三个生理过程，实现高产早熟、绿色高效。OsDREB1C转录因子的分子与生理作用机制
田间应用尚待时日
为了验证 OsDREB1C 基因在不同作物中可能产生的“影响力”，该团队进一步在普通小麦品种“Fielder”以及模式植物拟南芥中，构建了过表达 OsDREB1C 基因的材料，并对其进行多物种功能验证。
结果发现，该基因在小麦中同样具有高产早熟的功能。它可让小麦田间增产17.2-22.6%，早熟3-6天。过表达OsDREB1C使小麦增产早熟
中国工程院院士万建民说，该研究的重要性不仅在于发现单一基因可同时调控多个重要生理途径，打破长期存在于农业生产中“高产”与“早熟”之间的矛盾；同时，OsDREB1C基因在不同作物中的保守性功能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。
中国科学院院士杨维才认为，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。
不过，周文彬强调，从实验室到农田，还有很多工作要做。下一步，该团队将深入开展该基因在主要粮食作物（包括玉米、大豆）中的功能和作用机制研究，并评估其抗逆性及田间产量性状，探索高产早熟新品种大田生产模式，加快突破制约作物单产水平快速提升的瓶颈。
“通过对光合作用、氮素利用、开花等三个生理过程的聚合调控，实现高产高效、高产早熟的协同，为未来通过协同改良多个生理性状，实现作物大幅度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。”万建民说。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8455