據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所消息，7月22日，《科學(xué)（Science）》雜志以研究長文的形式在線發(fā)表中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物耕作與生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究成果?？蒲袌F(tuán)隊(duì)從碳-氮協(xié)同調(diào)控作物產(chǎn)量出發(fā)，鑒定到水稻中一個(gè)重要轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子可同時(shí)提高水稻光合作用效率和氮素利用效率，顯著提高作物產(chǎn)量。此外，OsDREB1C可使水稻提前抽穗，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)早熟。

據(jù)周文彬研究員介紹，水稻是全世界最重要的糧食作物之一，全球超過一半的人口將其作為主要食物來源。在人口持續(xù)增加和耕地面積減少條件下，高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不懈追求的目標(biāo)，但近年來作物單產(chǎn)增長緩慢，進(jìn)一步提高糧食單產(chǎn)亟需新的途徑和策略。眾所周知，光合作用是地球上一切生命物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，植物通過光合作用將二氧化碳和水同化為有機(jī)物，完成碳的固定；另一方面，氮素是葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸及代謝物的重要組成成分，是作物生長發(fā)育必需的大量元素。光合碳同化及氮素吸收利用的過程緊密偶聯(lián)，對(duì)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成至關(guān)重要，作物碳-氮代謝協(xié)同是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

在該項(xiàng)研究中，研究人員從光合碳同化和氮素吸收利用協(xié)同調(diào)控產(chǎn)量出發(fā)，在水稻中鑒定到一個(gè)同時(shí)受光和低氮誘導(dǎo)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C。研究發(fā)現(xiàn)，OsDREB1C基因過表達(dá)植株較野生型光合碳同化速率顯著提高，在光下生長速度更快，并且葉片中積累更多光合同化產(chǎn)物，籽粒灌漿速率加快。同時(shí)，過表達(dá)植株對(duì)氮素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng)，并能將更多的氮素分配到籽粒中，氮素利用效率顯著提高。大田氮肥試驗(yàn)表明，在不施用氮肥條件下，OsDREB1C過表達(dá)植株產(chǎn)量已達(dá)到甚至高于野生型施用氮肥條件下的產(chǎn)量水平，實(shí)現(xiàn)“減氮高產(chǎn)”。此外，研究還意外發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)OsDREB1C可使水稻抽穗期提前，并縮短整個(gè)生育周期。

通過2018年至2022年間在北京、三亞、杭州的多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水稻品種“日本晴”中過表達(dá)OsDREB1C基因，較野生型可實(shí)現(xiàn)水稻顯著增產(chǎn)，產(chǎn)量提高41.3~68.3%，收獲指數(shù)提高40.3~55.7%，抽穗期提前13~19天；在栽培稻品種“秀水134”中增強(qiáng)表達(dá)該基因，較野生型產(chǎn)量提高30.1~41.6%，同時(shí)收獲指數(shù)提高14.8~15.7%，抽穗期至少提前2天。OsDREB1C實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)早熟的基礎(chǔ)在于其光合效率和氮素利用效率的協(xié)同提高，在營養(yǎng)生長階段快速地生長以積累足夠多的生物量，在生殖生長階段將大量的碳氮同化產(chǎn)物分配至籽粒中，最終使產(chǎn)量顯著提升。

過表達(dá)OsDREB1C提高水稻光合效率和氮素利用效率并促進(jìn)提前抽穗，田間產(chǎn)量顯著提升

研究人員采用多種分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，進(jìn)一步深入解析了OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)水稻高產(chǎn)早熟的分子作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)錄因子通過分別與作用于光合作用（OsRBCS3）、氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)（OsNRT1.1B、OsNRT2.4和OsNR2）以及開花途徑（OsFTL1）的多個(gè)靶基因結(jié)合，激活這些基因的表達(dá)，進(jìn)而協(xié)同調(diào)控水稻的光合作用效率、氮素利用效率以及抽穗期。

OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子通過直接激活下游靶基因調(diào)控水稻光合作用效率、氮素利用以及抽穗期

此外，研究人員還在普通小麥品種（Fielder）以及模式植物擬南芥（Col-0）中進(jìn)行了多物種驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在小麥中增強(qiáng)表達(dá)后可使小麥田間增產(chǎn)17.2~22.6%，早熟3~6天，說明該基因在不同作物中均具有提高產(chǎn)量、促進(jìn)提前抽穗的保守性功能。

OsDREB1C在高產(chǎn)栽培稻品種以及小麥、擬南芥中均具有早熟增產(chǎn)的功能

該研究發(fā)現(xiàn)了單一基因可通過對(duì)多個(gè)重要生理途徑的聚合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、早熟以及氮素高效利用，為未來通過協(xié)同改良多個(gè)生理性狀實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量潛力突破、減少氮肥施用提供了新思路和新策略。同時(shí)，該研究揭示了通過協(xié)同提高光合作用效率和氮素利用效率促進(jìn)水稻高產(chǎn)的生理和分子機(jī)制，創(chuàng)新了作物高產(chǎn)理論，并為未來培育更加高產(chǎn)、氮肥更高效以及早熟新品種提供了重要基因資源，指導(dǎo)作物高產(chǎn)育種；該研究將為我們有效應(yīng)對(duì)人口持續(xù)增長、耕地面積縮減及全球氣候變化背景下如何進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量提供了可能，對(duì)于保障國家糧食安全和生態(tài)安全具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子的分子與生理作用機(jī)制

中國工程院院士萬建民認(rèn)為，該項(xiàng)研究的重大突破之處不僅在于發(fā)現(xiàn)單一基因可同時(shí)調(diào)控多個(gè)重要生理途徑，打破了長期存在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“高產(chǎn)”與“早熟”之間的矛盾；同時(shí)，該基因在不同作物中的功能保守性使其具有巨大的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿?，?duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)集約化生產(chǎn)具有重要意義；更重要的是，該研究通過對(duì)三個(gè)生理過程——光合作用、氮素利用、開花的聚合調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的協(xié)同，為未來通過協(xié)同改良多個(gè)生理性狀實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)以及資源高效利用提供了新思路、新策略，將有力推動(dòng)作物遺傳育種以及作物生理學(xué)研究的發(fā)展。

中國科學(xué)院院士種康點(diǎn)評(píng)到，該研究以作物碳-氮代謝協(xié)同為思路，發(fā)現(xiàn)了OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子具有同時(shí)協(xié)同調(diào)控光合作用、氮素吸收利用以及抽穗期三個(gè)重要生理過程的功能，實(shí)現(xiàn)了作物“高產(chǎn)和氮素高效”、“高產(chǎn)和早熟”的雙協(xié)同。這一通過單一基因改良多個(gè)生理性狀、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量突破的創(chuàng)新性研究，對(duì)于作物遺傳育種以及大田栽培耕作研究均具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)作用。

作科所博士研究生魏少博和李霞博士為該論文的共同第一作者，周文彬研究員為通訊作者。此外，作科所的錢前院士、趙明研究員和路則府研究員，中國水稻研究所王丹英研究員和陳松研究員、中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所的商連光研究員、上海師范大學(xué)的黃繼榮教授和張輝教授、北京大學(xué)的周岳教授、上海植物生理生態(tài)研究所的王鵬研究員以及德國馬普分子植物生理研究所的Ralph Bock教授參與了本研究。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院“青年英才計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。