面對人口增長，育種的首要目標(biāo)是高產(chǎn)，推動水稻第一次綠色革命的矮稈育種，使之能在大量施用化肥情況下，植株不會過高而造成倒伏，從而在高肥下獲得較高產(chǎn)量。然而，長期高肥下的育種導(dǎo)致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲成才研究組對過去100年間收集于全球不同地理區(qū)域52個國家（地區(qū)）的110份早期水稻農(nóng)家種進(jìn)行了全面的農(nóng)藝性狀鑒定，發(fā)現(xiàn)不同氮肥條件下，在眾多農(nóng)藝性狀中，水稻分蘗（分枝）氮響應(yīng)能力與氮肥利用效率變異間存在高度關(guān)聯(lián)。研究組利用全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)鑒定到一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控水稻分蘗。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsTCP19上游調(diào)控區(qū)一小段核酸片段（29-bp）的缺失與否是不同水稻品種分蘗氮響應(yīng)差異的主要原因。氮高效品種OsTCP19調(diào)控區(qū)缺失該29-bp核酸序列，氮響應(yīng)負(fù)調(diào)控因子LBD蛋白可以高效結(jié)合在該位點(diǎn)附近并抑制OsTCP19轉(zhuǎn)錄表達(dá)。通過多重轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，OsTCP19作為轉(zhuǎn)錄因子抑制分蘗促進(jìn)基因DLT的表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水稻分蘗發(fā)育的調(diào)控。該研究揭示了氮素調(diào)控水稻分蘗發(fā)育過程的分子基礎(chǔ)。
這一關(guān)鍵氮高效基因的鑒定依賴于一個多樣性的“農(nóng)家種”水稻群體資源。這些農(nóng)家種是在現(xiàn)代高產(chǎn)水稻品種推廣之前，也就是氮肥大量施用之前，世界各地農(nóng)家種植的本地品種。世界各地氣候土質(zhì)的差異造就了農(nóng)家品種豐富的遺傳多樣性。研究通過對水稻種子庫中這些“古早”的水稻品種開展基因遺傳分析，最終定位了基因組上這一關(guān)鍵變異。通過對世界水稻種植區(qū)土壤氮含量數(shù)據(jù)分析，研究發(fā)現(xiàn)，土壤越貧瘠的地方，OsTCP19氮高效變異越常見，并隨著土壤氮含量的增加，氮高效類型品種逐步減少，而我國現(xiàn)代水稻品種中這一氮高效變異幾乎全部丟失。將這一氮高效變異重新引入現(xiàn)代水稻品種，在氮素減少的條件下，水稻氮肥利用效率可提高20-30%，也就是說，在水稻生產(chǎn)中，使用更少的化肥，也能達(dá)到相同的產(chǎn)量。
除了氮肥施用所帶來的環(huán)境影響，氮肥生產(chǎn)本身也是高能耗、高污染行業(yè)。統(tǒng)計表明，生產(chǎn)1噸氮肥需2.8噸優(yōu)質(zhì)煤及1600度電能，造成2.5噸碳排放。我國爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排，特別是減少化肥的施用至關(guān)重要。該研究成果為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了全新的思路。
2021年1月6日，《自然》以article報道了這一研究成果。遺傳發(fā)育所博士劉永強(qiáng)、汪鴻儒為論文的共同第一作者，青年研究員胡斌、研究員儲成才為論文的共同通訊作者。研究工作到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、科學(xué)技術(shù)部G2P基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和廣東省基礎(chǔ)研究重大專項(xiàng)的資助。
OsTCP19-H在低氮和中氮下可顯著提高水稻產(chǎn)量
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