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我国科学家发现水稻高产基因,为何可以实现既高产又早熟?

[ 来源:科普中国 | 作者:郭容羽 钰青 | 发布时间:2022-11-18 | 浏览:976次 ]

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出品:科普中国

制作:郭容羽 钰青(北京科影艺林团队)

监制:中国科普博览

“高产”与“早熟”,在传统的农业生产中是一组矛盾的词。

因为实现高产的前提条件是要有一定的生物量,而一定的生物量,必须要有一定的生长周期,生长周期短,生物量小,所以,一般条件下,高产和生育期呈负相关,生育期短、早熟的作物产量低,生育期长的作物产量高。

而2022年7月,中国科学家发表在国际学术期刊《科学》上的研究中发现的水稻高产基因OsDREB1C打破了这个矛盾,那么,基因OsDREB1C为何可以打破农业生产“高产不早熟,早熟不高产”的传统,让水稻实现既高产又早熟呢?

(图片来源:作者提供)

“高产又早熟”到底是怎么实现的?

1、水稻产量影响因素

要想揭开基因OsDREB1C让水稻实现高产的秘密,我们不妨先了解水稻产量的影响因素。

水稻产量的物质来源主要是光合产物,其通过叶片中的叶绿素吸收光能,把二氧化碳和水合成有机物,然后输送给植物的其他部位。在植物生长前期的营养生长阶段,光合产物主要是提供植物生长所需要的蛋白质与能量。开花以后,植物进入了生殖生长阶段,叶片中合成的光合产物,以及储存在茎秆中的光合产物向籽粒运输,所以,产量的形成离不开光合作用合成的有机物,它通过一系列的运输,最后储存在籽粒里面。

(图片来源:作者提供)

农作物产量,涉及这些影响光合产物合成、运输到分配、储存各个环节的各种因素。因此,影响到这些过程中的各种因素都可能会让产量发生变化。而新发现的水稻高产基因OsDREB1C可以影响光合产物合成等因素,表现为提高光合作用效率和氮素利用效率,显著提高水稻产量。

2、水稻如何实现高产

对于植物而言,氮是不可缺少的,与光合作用具有密切关系,会影响光合作用的效率。同时,氮是构成蛋白质的主要成分,对茎叶的生长等有重要作用。如果土壤里面的氮肥不够,或者是植物吸收的氮不够,它的光合作用和各方面的生长就会受到影响。而基因OsDREB1C是一个氮高效基因,哪怕土壤里面只有少量的氮,它都能充分利用。

除此之外,如果氮元素的利用效率不高,大量使用氮肥容易造成浪费,不但增加农民的种植成本,还会造成环境污染。育种家致力于在育种上挖掘氮高效基因,实现“减氮不减产”,从而为减少农民种植成本,为实现“生态友好型”水稻高产提供保证。

(图片来源:作者提供)

3、水稻如何实现早熟

水稻生殖生长期包括孕穗期、抽穗开花期和灌浆结实期。抽穗开花期是指稻穗从顶端剑叶茎鞘里抽出到开花齐穗这段时间,一般5-7天。水稻开花早晚受负责调节成花素的基因影响,成花素是相当于诱导开花的一种物质,其含量越高,抽穗与开花就越早。这次发现的基因OsDREB1C也是调节成花素的基因,能提高成花素的含量,使水稻表现出抽穗提早,生育期缩短,导致早熟,从而打破了“高产”与“早熟”的矛盾,让水稻实现既高产又早熟。

(图片来源:作者提供)

水稻高产基因为何如此神通广大?

植物的性状是由很多基因相互作用形成的,一个性状就有一个基因阵容,像是一个系统的通路。而新发现的水稻高产基因OsDREB1C是一个转录因子,它就像是一个“分子开关”,在这个通路的最上面,下面有控制光合作用、氮素吸收利用以及开花等途径的很多基因,这个基因的表达量提高以后,通过基因调控的网络,把下游的光合作用基因、氮吸收高效利用基因以及影响抽穗期的基因都启动了,从而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。

(图片来源:作者提供)

这么厉害的发现。该如何推广应用呢?

高产基因的发现是进行高产育种的前提条件,但基因OsDREB1C最后能不能在高产中应用,还需要克服很多困难。

育种,首先需要创制亲本材料。可以通过杂交的方式,把带有这个基因的水稻作为一个供体,与不同地区的主栽品种进行杂交。把OsDREB1C这个基因导入到不同的品种背景中,一方面可以验证它在不同品种背景中的增产效果,另一方面可以创制适应不同生态区的高产的材料。

或者通过基因编辑的方式来实现,如果基因编辑能够成功,可能离应用就是最近的。如果通过基因编辑把这个基因的表达量提高,哪怕是达到一半的效果,在育种方面产生的助力就非常可观了。

(图片来源:作者提供)

水稻高产基因的发现打破了长期存在于农业生产中“高产”与“早熟”之间的矛盾;同时,在不同作物中也具有很大的应用前景,将为实现种业振兴提供支持,为保障国家粮食安全、保护环境做出贡献。

审核:徐建龙(中国农业科学院作物科学研究所二级研究员)

编辑:孙晨宇