专家点评Science | 我国科学家发现水稻高产基因

来源：BioArt植物

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杂志在线发表了题为A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice 的研究长文。该研究从碳-氮协同调控作物产量出发，在水稻中鉴定到一个重要转录因子OsDREB1C。研究发现该转录因子可同时提高水稻光合作用效率和氮素利用效率，显著提高作物产量。此外，OsDREB1C可使水稻提前抽穗，实现高产早熟。该研究为培育更加高产、氮肥更高效以及早熟新品种提供了重要基因资源。
  鉴于该研究的重要意义，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士，中国农业科学院作物科学研究所万建民院士和中国科学院植物研究所种康院士对该研究进行了点评。

水稻是全世界最重要的粮食作物之一，全球超过一半的人口将其作为主要食物来源。在人口持续增加和耕地面积减少条件下，高产是农业生产不懈追求的目标。但近年来作物单产增长缓慢，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，进一步提高粮食单产亟需新的途径和策略。众所周知，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二氧化碳和水同化为有机物，完成碳的固定；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的过程紧密偶联，对作物生长发育和产量形成至关重要，作物碳-氮代谢协同是实现高产的基础。在该项研究中，研究人员从光合碳同化和氮素吸收利用协同调控产量出发，在水稻中鉴定到一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C。

研究发现，OsDREB1C基因过表达水稻植株较野生型光合碳同化速率显著提高，在光下生长速度更快，并且叶片中积累更多光合同化产物，籽粒灌浆速率加快。同时，过表达植株对氮素的吸收转运能力增强，并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野生型施用氮肥条件下的产量水平，实现“减氮高产”。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。 

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，较野生型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%，抽穗期提前13~19天；在栽培稻品种“秀水134”中增强表达该基因，产量较野生型提高30.1~41.6%，同时收获指数提高14.8~15.7%，抽穗期至少提前2天。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，在营养生长阶段快速地生长以积累足够多的生物量，在生殖生长阶段将大量的碳氮同化产物分配至籽粒中，最终使产量显著提升。

研究人员进一步深入解析了OsDREB1C转录因子促进水稻高产早熟的分子作用机制。通过采用ChIP-seq、DAP-seq及RNA-seq等多种实验手段，发现该转录因子分别通过与作用于光合作用(OsRBCS3)、氮素吸收转运（OsNRT1.1B、OsNRT2.4和OsNR2）以及开花途径（OsFTL1）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作用效率、氮素利用效率以及抽穗期。

此外，研究人员还在普通小麦品种（Fielder）以及模式植物拟南芥（Col-0）中进行了多物种验证，发现在小麦中增强表达OsDREB1C后可使小麦田间增产17.2~22.6%，早熟3~6天，说明该基因在不同作物中均具有提高产量、促进提前抽穗的保守性功能。

OsDREB1C转录因子的分子与生理作用机制

综上，该研究发现了单一基因可通过对多个重要生理途径的聚合调控，进而实现作物高产、早熟以及氮素高效利用，为未来通过协同改良多个生理性状实现作物产量潜力突破、减少氮肥施用提供了新思路和新策略。同时，该研究揭示了通过协同提高光合作用效率和氮素利用效率促进水稻高产的生理和分子机制，创新了作物高产理论，并为未来作物育种提供了重要基因资源，指导作物高产育种；该研究将为我们有效应对人口持续增长、耕地面积缩减及全球气候变化背景下如何进一步提高作物产量提供了可能，对于保障国家粮食安全和生态安全具有重要的理论意义和应用价值。

值得一提的是，Science同期刊发了牛津大学STEVEN KELLY教授撰写的题为The quest for more food 的评论文章，对该工作给予了高度评价。

此外，国内外多位知名专家，均对该研究给予了高度评价。SCIENCE 期刊论文评审专家认为“作者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的可持续集约化生产。”

德国科学院院士、德国马普分子植物生理研究所所长Ralph Bock教授评价“这是一项令人印象十分深刻的研究，作者通过严谨的实验获得了大量高质量的数据，相信这一研究会在科学界引发兴趣和热议。”

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士等7月22日在Molecular Plant 杂志以“Spotlight”形式发表了题为“An unprecedented one-arrow-two-hawks strategy achieves high yield with early flowering in rice”的点评文章，总结了该研究成果，并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。

中国农业科学院作物科学研究所博士研究生魏少博和李霞博士为该论文的共同第一作者，周文彬研究员为通讯作者。此外，中国农科院作物科学研究所的钱前院士、赵明研究员和路则府研究员、中国水稻研究所王丹英研究员和陈松研究员、中国农科院深圳农业基因组所的商连光研究员、上海师范大学的黄继荣教授和张辉教授、北京大学的周岳教授、上海植物生理生态研究所的王鹏研究员以及德国马普分子植物生理研究所的Ralph Bock教授参与了本研究。本研究得到了国家重点研发计划、中国农业科学院创新工程、中国农业科学院“青年英才计划”等项目的资助。

专家点评

万建民 院士（中国农业科学院作物科学研究所）

在全球人口持续增加、耕地面积不断减少及全球气候变化对农业生产带来的负面影响下，持续提高作物产量是全世界农业生产最主要的目标。口粮绝对安全是保障中国粮食安全的关键。2021年，中国粮食进口量突破1.6亿吨，预计到2030年，水稻、小麦等主要农作物产量须提高20%才能满足需求。因此，提高作物产量是解决中国粮食缺口的重要途径。

近日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究团队在Science杂志发表了题为“A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice”的研究论文。该项研究工作报道，在水稻、小麦等口粮作物中过量表达一个重要基因可以实现作物产量的显著提升。

光合作用为世界上几乎所有的生命体提供赖以生存的物质和能量，是作物生物量和产量形成的基础。因此，提高光合作用效率被认为是未来提高作物产量潜力的一个关键而有效的途径。该研究从筛选参与C4光合作用的关键转录因子出发，以光合碳同化和氮素吸收利用协同调控为切入点，巧妙地通过“光和低氮”两步生理筛选方法，在水稻中鉴定到一个重要转录因子OsDREB1C。研究发现，OsDREB1C转录因子可以分别与光合作用、氮素吸收转运及开花相关的多个靶基因结合来调控相关基因的表达水平，进而控制水稻的光合效率、氮素利用效率以及生育期。在多年多点的田间试验中，过表达OsDREB1C基因可以缩短水稻生育期，显著提高其光合效率及氮素利用效率，在水稻日本晴背景产量增幅达41.3~68.3%，收获指数提高40.3~55.7%。更为重要的是，过表达水稻在不施用氮肥的大田条件下的产量可以达到甚至超过对照品种在施用氮肥条件下的产量水平，实现“减氮不减产”。

该项研究的重大突破之处不仅在于发现单一基因可同时调控多个重要生理途径，打破了长期存在于农业生产中的“高产”与“早熟”之间的矛盾；同时，该基因在不同作物中的功能保守性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；更重要的是，该研究通过对三个生理过程——光合作用、氮素利用、开花的聚合调控从而实现高产高效的协同，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。

专家点评

种康 院士（中国科学院植物研究所）

全球人口的持续增长、耕地面积的不断缩减、以及气候变化的影响使得世界粮食安全面临巨大挑战。自上世纪60年代兴起的“绿色革命”，通过矮化育种以及增加化肥施用量等措施突破性地提高了作物产量。然而，近年来作物产量增长已进入一个平台期，单产增幅日益缓慢；同时大量施用氮肥所带来的土壤退化、环境污染等问题日益严峻，进一步提高粮食单产亟需新的途径和策略。

中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究团队近日在Science杂志发表题为“A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice”的研究，从潜在参与光合作用的转录因子中鉴定到一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C，转录本分析发现开花控制基因（OsFTL1）、促进光合作用关键酶基因（OsRBCS3）以及氮高效利用基因（OsNR2、OsNRT1.1B、OsNRT2.4）是其直接调控的靶基因，增强OsDREB1C基因的表达能够实现作物产量的显著提高并缩短生长周期，这一单基因控制多个优异农艺性状特征具有重要的育种潜力。此外，该基因的早熟高产特性可为下季作物空出茬口，对解决作物复种系统下整地时间短、茬口偏紧等生产问题也具有非常重要的应用价值。

该研究以作物碳-氮代谢协同为思路，发现了OsDREB1C转录因子具有同时协同调控光合作用、氮素吸收利用以及抽穗期三个重要生理过程的功能，实现了作物“高产和氮素高效”、“高产和早熟”的双协同。这一通过单一基因改良多个生理性状、实现产量突破的创新性研究，对于作物遗传育种以及大田栽培耕作研究均具有重要的理论价值和指导作用。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8455