我国科学家发现水稻高产重要基因

日前，由中国农业科学院作物科学研究所研究员周文斌领衔的研究成果在线发表在国际知名学术期刊《科学》上。

周文斌的团队在水稻中发现了高产基因，可以同时提高光合效率和氮利用效率，显著提高作物产量此外，OsDREB1C还能使水稻抽穗提前，生育期缩短该研究为培育高产，高氮高效，早熟的作物品种提供了重要的基因资源，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改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说，口粮的绝对安全是确保中国粮食安全的关键预计到2030年，中国人口将达到14.5亿，中国水稻，小麦等主要农作物产量必须增加20%才能满足需求不断提高农作物产量水平是解决粮食短缺的重要途径这项研究发现了一个单一基因，它可以协同调节作物中许多重要的生物途径，使作物可以同时实现高产，早熟和高氮利用率为农作物高产，减施氮肥和绿色高效提供了可行的解决方案，对今后农作物新品种和新种质的培育以及大田栽培和耕作方式的转变具有重要的理论价值

绿色革命始于20世纪60年代，通过农作物品种选育和栽培管理技术的改进，农作物产量大幅提高可是，最近几年来农作物产量增长缓慢，全球约24%~39%的玉米，水稻，小麦和大豆种植区处于停滞甚至下降状态此外，施用氮肥是提高作物产量的重要措施之一中国是世界化肥消费第一大国，每年氮肥施用量占世界总施用量的35%以上最近几年来，过量施用大量氮肥不仅未能持续提高作物产量，还导致了严重的环境污染因此，需要新的方法和策略来进一步提高作物产量和氮肥利用率

光合作用是地球上所有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，完成碳同化，另一方面，氮是叶绿素，蛋白质，核酸和代谢产物的重要组成部分，是作物生长发育的必需元素光合碳同化和氮吸收利用过程是紧密耦合的，对作物生长和产量形成至关重要作物碳氮代谢的协调是作物获得高产的基础周文斌介绍，众所周知，玉米属于C4作物，而水稻和小麦属于C3作物C4作物由于叶片结构和生理生化的特殊性，通常具有比C3作物更高的光合效率，氮素利用效率和水分利用效率，产量也相对较高

在这项研究中，研究人员从光合碳同化和氮吸收利用的协同调控入手，以此前报道的118个转录因子为切入点通过分析它们的同源基因在水稻中在光照和低氮条件下的诱导表达，在水稻中鉴定出一个转录因子OsDREB1C，该转录因子受光照和低氮诱导

发现OsDREB1C基因可以提高水稻的光合效率和氮素利用效率通过现代基因工程技术，研究人员增加了水稻植株中OsDREB1C基因的表达，发现基因表达增强的植株光合碳同化率明显高于野生型，在光照下生长速度更快，叶片中积累了更多的光合产物同时，过量表达的植株可以增强吸收和运输氮素的能力，将更多的氮素分配到籽粒中，从而显著提高氮素利用效率氮肥田间试验表明，在不施氮肥的条件下，OsDREB1C过表达植株的产量已经达到甚至高于野生型植株

OsDREB1C基因能显著提高水稻产量研究团队通过2018—2022年在北京，三亚，杭州的多年田间试验，发现水稻品种日青过表达OsDREB1C基因可显著提高水稻产量，产量比野生型提高41.3%~68.3%，收获指数提高40.3% ~ 55.7%，该基因在栽培稻品种秀水134中过量表达，比野生型增产30.1%~41.6%，收获指数提高14.8%~15.7%

周文斌的团队还意外地发现，OsDREB1C的过量表达可以提前水稻的抽穗期，缩短整个生长周期在北京的种植条件下，过表达OsDREB1C的水稻比野生型可早抽穗13~19天在杭州种植条件下，该基因在栽培水稻品种秀水134中过量表达，抽穗期至少可提前2天

OsDREB1C基因在小麦中也具有高产早熟的功能通过在普通小麦品种Fielder中表达OsDREB1C基因的功能验证，发现其在田间可使小麦增产17.2%~22.6%，成熟期3~6天，说明OsDREB1C基因在不同作物中具有增产促早抽穗的保守功能周文斌说

进一步的分子机制分析表明，OsDREB1C转录因子在植物中起着分子开关的作用，通过与调控光合作用，氮素吸收和运输，开花等的几个靶基因结合，激活这些基因的表达，从而协同调节水稻的光合效率，氮素利用效率和抽穗期