科技日报记者 马爱平
7月22日，中国农业科学院作物科学研究所研究员周文彬领衔的研究成果在国际著名学术期刊《科学》（《Science》）杂志以研究长文的形式在线发表。
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周文彬团队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，可显著提高作物产量。此外，OsDREB1C可使水稻提前抽穗，缩短生育期。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，为实现作物高产和资源高效利用提供了潜在的解决方案，对未来作物生产方式变革具有重要的理论价值和指导作用。
中国科学院院士、中国农业科学院作物科学研究所所长钱前表示，口粮绝对安全是保障中国粮食安全的关键，预计到2030年我国人口将达14.5亿，我国水稻、小麦等主要农作物产量须提高20%才能满足需求，不断提高作物单产水平是解决粮食缺口的重要途径。该研究在作物中发现可协同调控多个重要生物学途径的单一基因，使作物同时实现高产、早熟以及氮素高效利用，为作物高产和减少氮肥施用、实现绿色高效提供了可行的解决方案，对于未来作物新品种和新种质的培育以及大田栽培耕作模式的变革具有重要的理论价值。
20世纪60年代开始的绿色革命，通过作物品种选育以及栽培管理技术的提高，实现了作物产量大幅提升。然而，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。此外，施用氮肥是农作物增产的重要措施之一，我国是世界化肥消费第一大国，每年氮肥用量占世界总施用量的35%以上。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，进一步提高作物单产和氮肥利用效率需要新的途径和策略。
“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CO2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。”周文彬介绍，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。
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出发，以先前报道的潜在参与调控玉米光合作用的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，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基因能提高水稻光合作用效率和氮素利用效率。研究人员通过现代基因工程技术使OsDREB1C在水稻植株中提高该基因产物的表达量，发现增强该基因表达后的植株，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。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。
OsDREB1C基因可显著提高水稻产量。研究团队通过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%；在栽培稻品种“秀水134”中过量表达该基因，较野生型产量提高30.1%~41.6%，同时收获指数提高14.8%~15.7%。
OsDREB1C促进水稻高产早熟
周文彬团队还意外发现，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，过表达OsDREB1C水稻（日本晴）可较野生型提前抽穗13~19天；杭州种植条件下，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。
“OsDREB1C基因在小麦中同样具有高产早熟的功能。通过在普通小麦品种Fielder中表达OsDREB1C基因进行功能验证，发现可使小麦田间增产17.2%~22.6%，早熟 3~6 天，说明OsDREB1C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。”周文彬说。
过表达OsDREB1C使小麦增产早熟
该研究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。
OsDREB1C转录因子的分子与生理作用机制
中国农业科学院作物科学研究所博士研究生魏少博和博士李霞为该论文的共同第一作者，周文彬为通讯作者。中国农业科学院作物科学研究所、中国水稻研究所、深圳农业基因组研究所、上海师范大学、北京大学、中科院上海植物生理生态研究所以及德国马普分子植物生理研究所等国内外7家研究机构参与了该项研究。
（中国农业科学院作物科学研究所供图）
