-
我國科學家發(fā)現(xiàn)水稻高產(chǎn)基因,高產(chǎn)早熟可同步實現(xiàn)
最后更新: 2022-07-22 12:29:27據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所消息,7月22日,《科學(Science)》雜志以研究長文的形式在線發(fā)表中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所作物耕作與生態(tài)創(chuàng)新團隊研究成果??蒲袌F隊從碳-氮協(xié)同調(diào)控作物產(chǎn)量出發(fā),鑒定到水稻中一個重要轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C,發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子可同時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,但近年來作物單產(chǎn)增長緩慢,進一步提高糧食單產(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)同是作物實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。
在該項研究中,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同時受光和低氮誘導表達的轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C。研究發(fā)現(xiàn),OsDREB1C基因過表達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,過表達植株對氮素的吸收轉(zhuǎn)運能力增強,并能將更多的氮素分配到籽粒中,氮素利用效率顯著提高。大田氮肥試驗表明,在不施用氮肥條件下,OsDREB1C過表達植株產(chǎn)量已達到甚至高于野生型施用氮肥條件下的產(chǎn)量水平,實現(xiàn)“減氮高產(chǎn)”。此外,研究還意外發(fā)現(xiàn),過表達OsDREB1C可使水稻抽穗期提前,并縮短整個生育周期。
通過2018年至2022年間在北京、三亞、杭州的多年多點田間試驗發(fā)現(xiàn),在水稻品種“日本晴”中過表達OsDREB1C基因,較野生型可實現(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”中增強表達該基因,較野生型產(chǎn)量提高30.1~41.6%,同時收獲指數(shù)提高14.8~15.7%,抽穗期至少提前2天。OsDREB1C實現(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OsDREB1C提高水稻光合效率和氮素利用效率并促進提前抽穗,田間產(chǎn)量顯著提升
研究人員采用多種分子生物學實驗手段,進一步深入解析了OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子促進水稻高產(chǎn)早熟的分子作用機制。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(OsNRT1.1B、OsNRT2.4和OsNR2)以及開花途徑(OsFTL1)的多個靶基因結(jié)合,激活這些基因的表達,進而協(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)中進行了多物種驗證,發(fā)現(xiàn)在小麥中增強表達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多個重要生理途徑的聚合,進而實現(xiàn)作物高產(chǎn)、早熟以及氮素高效利用,為未來通過協(xié)同改良多個生理性狀實現(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,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水稻高產(chǎn)的生理和分子機制,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,指導作物高產(chǎn)育種;該研究將為我們有效應(yīng)對人口持續(xù)增長、耕地面積縮減及全球氣候變化背景下如何進一步提高作物產(chǎn)量提供了可能,對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)用價值。
OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子的分子與生理作用機制
中國工程院院士萬建民認為,該項研究的重大突破之處不僅在于發(fā)現(xiàn)單一基因可同時調(diào)控多個重要生理途徑,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,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?,對推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)集約化生產(chǎn)具有重要意義;更重要的是,該研究通過對三個生理過程——光合作用、氮素利用、開花的聚合調(diào)控從而實現(xiàn)高產(chǎn)高效的協(xié)同,為未來通過協(xié)同改良多個生理性狀實現(xiàn)作物增產(chǎn)以及資源高效利用提供了新思路、新策略,將有力推動作物遺傳育種以及作物生理學研究的發(fā)展。
中國科學院院士種康點評到,該研究以作物碳-氮代謝協(xié)同為思路,發(fā)現(xiàn)了OsDREB1C轉(zhuǎn)錄因子具有同時協(xié)同調(diào)控光合作用、氮素吸收利用以及抽穗期三個重要生理過程的功能,實現(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生理性狀、實現(xiàn)產(chǎn)量突破的創(chuàng)新性研究,對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值和指導作用。
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、上海師范大學的黃繼榮教授和張輝教授、北京大學的周岳教授、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研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科學院創(chuàng)新工程、中國農(nóng)業(yè)科學院“青年英才計劃”等項目的資助。
- 原標題:我科學家發(fā)現(xiàn)水稻高產(chǎn)基因
- 責任編輯: 連政 
-
“問海1號”6000米級自主遙控水下機器人正式交付
2022-07-20 10:25 -
天文學家首次發(fā)現(xiàn)銀河系外休眠黑洞
2022-07-19 20:39 -
巡天空間望遠鏡預計2024年投入科學運行
2022-07-18 10:52 航空航天 -
我國成功發(fā)射四維03/04衛(wèi)星
2022-07-16 07:26 航空航天 -
武漢產(chǎn)奧株新冠滅活疫苗臨床試驗啟動
2022-07-15 17:35 -
中國首次發(fā)現(xiàn)2.55億年前真錢伯獸化石
2022-07-14 22:01 -
我國自研海上地震勘探震源控制系統(tǒng)完成調(diào)試
2022-07-13 19:16 -
“問天”計劃本月發(fā)射,“夢天”正樣熱試驗完成
2022-07-12 17:34 航空航天 -
“星艦”助推器在測試時發(fā)動機爆炸
2022-07-12 16:16 -
人類目前能看到宇宙最深處的彩色照片公布
2022-07-12 07:47 觀察者頭條 -
我國首顆綜合性太陽探測衛(wèi)星將于10月發(fā)射
2022-07-11 14:42 航空航天 -
以錢學森之名,這支青年突擊隊突破多項寬域飛行技術(shù)
2022-07-11 14:24 -
“中國復眼”開建,可實現(xiàn)千萬公里外小行星探測成像
2022-07-09 20:39 -
我國科學家發(fā)現(xiàn)多個深海新物種及新記錄種
2022-07-06 16:12 -
試飛院舉行某重點型號動員會
2022-07-06 14:55 航空航天 -
神十四乘組在軌滿月,問天實驗艙將于本月發(fā)射
2022-07-05 16:42 航空航天 -
國內(nèi)最大離軌帆成功在軌展開,旨在減緩空間碎片增長
2022-07-04 22:31 航空航天 -
我國首個桌面操作系統(tǒng)開發(fā)者平臺發(fā)布
2022-06-30 08:56
相關(guān)推薦 -
最新聞 Hot
-
美國發(fā)布首份AI備忘錄,“得防中國戰(zhàn)略突襲”
-
“英國軍情五處完全在胡說八道”
-
普京回應(yīng)“朝軍援俄”傳聞
-
被批“中國有支票美國有清單”,他又畫餅忽悠…
-
又嗆上了:野蠻人也好意思自詡捍衛(wèi)文明…
-
沒中國能成嗎?澳大利亞部長這么說
-
特朗普威脅襲擊莫斯科市中心?普京回應(yīng)
-
“我們目前世界領(lǐng)先,但中國人正敲開我們的大門”
-
“我不太喜歡談?wù)摳偁帲议_的是小米”
-
盧卡申科評“朝軍援俄”:胡說八道,普京不是這性格
-
“不止美德,北約至少七國反對”
-
華裔老板拒絕“背書”哈里斯,加州第一大報編委辭職
-
英高級外交官搶、奪、撕...扎哈羅娃怒斥
-
連他都不敢說,“怕被特朗普報復”
-
134條!金磚通過《喀山宣言》,“將在聯(lián)合國分發(fā)”
-
“我們愿做一切符合中國利益的事”
-