最新科研成果！中國科學家成功鑒定水稻氮高效基因

記者7日從中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所(中科院遺傳發(fā)育所)獲悉，該所儲成才研究團隊通過對過去100年間收集于全球不同地理區(qū)域52個國家及地區(qū)的110份早期水稻農(nóng)家種在不同氮肥條件下進行全面的農(nóng)藝性狀鑒定，發(fā)現(xiàn)水稻分蘗(分枝)氮響應能力與氮肥利用效率變異間存在高度關聯(lián)。

研究團隊利用全基因組關聯(lián)分析結合多重組學技術鑒定到一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為關鍵調(diào)控因子調(diào)控水稻分蘗。進一步研究發(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差異的主要原因。

儲成才研究員指出，最新鑒定的氮高效基因其氮高效類型OsTCP19-H在起源于貧瘠土壤的品種中富集，而現(xiàn)代栽培種大多丟失。氮高效類型OsTCP19-H在水稻品種中出現(xiàn)的頻率和稻田土壤氮含量顯著負相關，并且野生稻中90%以上為氮高效基因型，暗示其貢獻了水稻對低土壤肥力地區(qū)的地理適應性，且在水稻馴化過程中在低肥地區(qū)得到保留。研究團隊將OsTCP19-H導入現(xiàn)代水稻品種，在減氮水平下可以提高氮肥利用效率20-30%，表明該基因在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展領域有重要應用潛力。

北京時間7日凌晨，國際著名學術期刊《自然》以長文形式在線發(fā)表了中國科學家在水稻綠色發(fā)展研究上取得的這項重大突破，這項研究也獲多位國際同行專家的高度評價。

英國約翰英納斯研究所所長桑德斯(Sanders)教授稱，“這是一項真正的開創(chuàng)性工作，不僅對理解植物(水稻)的氮調(diào)控機制有重要意義，也對減少化肥使用具有巨大的意義”。

德國馬普分子植物生理所費尼(Fernie)教授認為，“論文作者證明了OsTCP19等位基因多樣性與水稻地理分布相關，這一出色研究告訴我們，通過重新追溯我們的育種歷史，并理解現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)的適應性改良，可以找到一種減少化肥投入但不犧牲糧食產(chǎn)量的解決方案”。

德國植物遺傳與作物育種研究所營養(yǎng)學家馮·威倫(von Wiren)教授表示，該研究發(fā)現(xiàn)氮高效等位基因與土壤低氮含量相關，使得這一結果具有多方面的重要意義，也顯示出深度挖掘優(yōu)異遺傳變異對種質(zhì)改良的巨大潛力。

中科院遺傳發(fā)育所介紹說，全球糧食產(chǎn)量自上世紀60年代初起持續(xù)增加，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，糧食不斷增產(chǎn)的主要推動力是化肥的大量施用，其中絕大部分是氮肥。2018年，全球化肥用量達2億噸，而中國年化肥用量超過全世界化肥總消耗量的33%，氮肥利用效率只有30%左右，不到西方發(fā)達國家的一半。而化肥的過量施用，不僅對空氣、土壤和水體造成污染，也給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來巨大環(huán)境壓力。此外，長期高肥下的育種導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。

儲成才研究團隊對OsTCP19這一關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)的巨大差異也造就了農(nóng)家品種豐富的遺傳多樣性。研究人員通過對水稻種子庫中這些“古早”的水稻品種進行基因分析，最終定位了基因組上這一關鍵變異。通過對世界水稻種植區(qū)土壤氮含量數(shù)據(jù)分析，研究團隊發(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，而中國現(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，也能達到相同的產(chǎn)量。”儲成才表示，中國提出力爭2060年前實現(xiàn)碳中和，而農(nóng)業(yè)領域的節(jié)能減排，特別是減少化肥的施用至關重要，研究團隊最新科研成果為實現(xiàn)碳中和目標提供了一個全新的思路。(記者 孫自法)

關鍵詞： 水稻氮高效基因