新基因定义下一场“绿色革命”

“中国三大主要粮食作物的化肥利用率只有39.2%，绝大部分释放到土地和空气中，造成环境污染。如何‘减肥增效’是当前农业可持续发展亟待解决的重大问题。” 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东在接受《中国科学报》采访时说。

2月7日，《科学》杂志以封面文章的形式，发表傅向东团队关于赤霉素和氮素协同调控植物生长发育新机制的研究成果。该成果将为“少投入、多产出”的绿色高产高效农作物新品种培育提供一种新的育种策略，这预示着一场新的“绿色革命”即将到来。

突破“绿色革命”瓶颈

上世纪60年代以来，以半矮秆小麦和水稻新品种培育为标志的“绿色革命”带来了全球粮食产量大幅增长，解决了世界范围内人口快速增长引发的粮食危机。

40多年后，植物分子生物学和基因组学的发展，揭开了“绿色革命”的本质——植物激素赤霉素的生物学效应。

赤霉素合成途径受阻，实现了植株半矮化、抗倒伏的高产目标。

傅向东告诉《中国科学报》：“然而，此类品种却对氮肥不敏感，需要施用更多的氮肥才能获得高产。”

持续大量的氮肥投入不仅增加了种植成本，还导致了日益严重的环境污染。

如何突破“绿色革命”的瓶颈，成了傅向东心中一根紧绷的弦。

新基因启发育种新途径

傅向东介绍，团队以水稻分蘖对氮素的响应为切入点，找到了赤霉素和氮素协同调控水稻生长发育的关键基因NGR5，并阐明了NGR5通过表观遗传调控水稻分蘖数等农艺性状氮素响应的分子机制。

进一步研究发现，在当前主栽品种中，提高NGR5表达量，不仅能提高氮肥利用效率，而且能保持优良的半矮化和高产特性，使水稻在减施氮肥条件下获得更高的产量，为培育高产且高效的“绿色革命”新品种奠定基础。

傅向东介绍，研究成果很大的突破点是，NGR5不仅是植物响应氮素的正调控因子，还是赤霉素信号传导途径中一个新的重要蛋白。赤霉素通过促进NGR5蛋白降解，导致全基因组甲基化修饰降低，进而促进靶基因表达，实现赤霉素调控植物生长发育。

此外，发现新的基因后，就可以把多个优异等位基因聚合在一起，提供一个能够明显减少氮肥投入，又增加产量的新育种策略。“将来可以培育出新的品种，把60年前的矮化育种缺陷弥补上，实现高产高效协同改良的育种目标。”傅向东说。

增产与减施的“双赢”

“通过分子设计育种手段，培育高产和氮肥高效利用协同改良的作物新品种，对保障粮食安全和农业可持续发展至关重要。”傅向东正在与中科院合肥物质研究院、牛津大学等多家单位合作，聚合多个优异等位基因，培育“少投入、多产出”的绿色高产高效新品种。

然而，植物氮素代谢及信号传导分子机制和调控网络的研究，绝大多数仍集中在模式植物拟南芥中；在众多已克隆和鉴定的基因中，在作物产量和氮肥利用效率协同改良方面具有育种应用价值的基因资源还非常有限。因此，如何在减少氮肥施用的同时实现作物产量的持续提升，仍然任重而道远。

傅向东介绍，团队未来的研究方向有三个方面。一是综合利用各种组学手段，并结合计算生物学、合成生物学、人工智能等新兴技术，系统解析氮代谢、碳代谢和植物生长发育协同调控机制。

二是，充分利用野生资源、农家种、主栽品种等种质材料，通过GWAS分析、QTL定位和图位克隆等方法，系统解析控制氮肥高效利用的关键基因及其调控网络，挖掘优异等位基因或者利用基因编辑技术创制新的等位变异，获得能协同提高作物产量和氮肥高效利用的分子模块。

三是，利用时空特异启动子对关键基因进行表达模式改造，通过多基因聚合技术导入当前主栽品种中，以培育 “少投入、多产出”绿色高产高效农作物新品种。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aaz2046

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