 2022年7月22日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究团队在国际著名学术期刊《科学》上发表题为A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice的研究论文，该研究发现并揭示了转录因子OsDREB1C协同调控光合作用和氮素利用效率促进水稻高产早熟的机理。 光合作用是地球上一切生命物质和能量的基础，植物通过光合作用将二氧化碳和水同化为有机物，完成碳的固定；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的过程紧密偶联，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。 周文彬研究团队以碳-氮代谢协同调控产量为出发点，从潜在参与调控C4光合作用的转录因子中，鉴定到一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C，过量表达该转录因子能够显著提高水稻产量，并缩短整个生长周期（图1）。  研究发现，OsDREB1C过表达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。田间不同施氮条件的产量试验表明，在不施用氮肥条件下，OsDREB1C过表达植株的产量已达到甚至高于野生型在施用氮肥条件下的产量水平，实现了“减氮不减产”。非常有意思的是，研究还发现过表达OsDREB1C可使水稻抽穗期提前，并缩短生长周期。 大田小区试验发现，OsDREB1C基因可显著提高水稻产量。在北京长日照条件下，在水稻品种“日本晴”中过表达OsDREB1C基因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%，提前抽穗13~19天；在栽培稻品种“秀水134”中过量表达该基因，产量提高30.1~41.6%，同时收获指数提高14.8~15.7%，抽穗期可至少提前2天。需要指出的是，OsDREB1C实现高产早熟的基础在于其光合效率和氮素利用效率的协同提高：在营养生长阶段快速地生长以积累足够多的生物量，在生殖生长阶段将大量的碳氮同化产物分配至籽粒中，最终使得产量显著提升。 研究进一步通过ChIP-seq、DAP-seq和RNA-seq等实验手段找到了OsDREB1C调控的345个靶基因，GO富集分析发现OsDREB1C主要参与调控“跨膜运输”、“氮素代谢”、“初级代谢”、“响应胁迫”、“花发育调控”、“响应光刺激”等生物过程，其中包括OsRBCS3、OsNRT1.1B、OsNRT2.4、OsNR2和OsFTL1等靶基因。ChIP-qPCR和EMSA等实验证实OsDREB1C能够直接结合在OsRBCS3的启动子、OsNR2、OsNRT2.4、OsNRT1.1B以及OsFTL1的外显子上，调控这些基因的表达，从而促进光合碳同化、氮素的吸收和转运以及抽穗开花，进而解析了OsDREB1C促进水稻高产早熟的分子机理（图2）。  研究人员还在普通小麦品种（Fielder）以及模式植物拟南芥中进行了多物种验证，发现过表达OsDREB1C均具有提高产量或生物量、促进开花的特性。小麦中表达OsDREB1C基因发现可使小麦田间增产17.2~22.6%，早熟3~6天。 综上所述，该研究发现OsDREB1C可靶向激活OsRBCS3、OsNRT1.1B、OsNRT2.4、OsNR2和OsFTL1等基因，同时调控作物光合作用、氮素吸收利用以及抽穗期三个重要生理过程，实现了作物“高产和氮素高效”、“高产和早熟”的双协同。可以预见，未来可通过对单一基因进行编辑而使作物同时实现高产、氮素高效以及早熟，有效应对人口增长、耕地面积缩减等重大问题。这一发现对于作物遗传育种以及大田栽培耕作具有重要的理论意义和应用价值，同时对于保障国家粮食安全和生态安全也具有重要意义。 值得一提的是，在论文评审过程中，审稿人对该工作给予了高度评价，认为作者进行了细致深入的研究分析，出色地完成了大量的田间试验工作；研究结果是非常激动人心、并具有潜在影响力的，如果将其应用到实际农业生产中，必将进一步推动水稻等作物的可持续集约化生产。   |
|
|
