新基因定義下一場“綠色革命”

　　“中國三大主要糧食作物的化肥利用率只有39.2%，絕大部分釋放到土地和空氣中，造成環境污染。如何‘減肥增效’是當前農業可持續發展亟待解決的重大問題。” 中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員傅向東在接受《中國科學報》采訪時說。

　　2月7日，《科學》雜志以封面文章的形式，發表傅向東團隊關于赤霉素和氮素協同調控植物生長發育新機制的研究成果。該成果將為“少投入、多產出”的綠色高產高效農作物新品種培育提供一種新的育種策略，這預示著一場新的“綠色革命”即將到來。

　　突破“綠色革命”瓶頸

　　上世紀60年代以來，以半矮稈小麥和水稻新品種培育為標志的“綠色革命”帶來了全球糧食產量大幅增長，解決了世界范圍內人口快速增長引發的糧食危機。

　　40多年后，植物分子生物學和基因組學的發展，揭開了“綠色革命”的本質——植物激素赤霉素的生物學效應。

　　赤霉素合成途徑受阻，實現了植株半矮化、抗倒伏的高產目標。

　　傅向東告訴《中國科學報》：“然而，此類品種卻對氮肥不敏感，需要施用更多的氮肥才能獲得高產。”

　　持續大量的氮肥投入不僅增加了種植成本，還導致了日益嚴重的環境污染。

　　如何突破“綠色革命”的瓶頸，成了傅向東心中一根緊繃的弦。

　　新基因啟發育種新途徑

　　傅向東介紹，團隊以水稻分蘗對氮素的響應為切入點，找到了赤霉素和氮素協同調控水稻生長發育的關鍵基因NGR5，并闡明了NGR5通過表觀遺傳調控水稻分蘗數等農藝性狀氮素響應的分子機制。

　　進一步研究發現，在當前主栽品種中，提高NGR5表達量，不僅能提高氮肥利用效率，而且能保持優良的半矮化和高產特性，使水稻在減施氮肥條件下獲得更高的產量，為培育高產且高效的“綠色革命”新品種奠定基礎。

　　傅向東介紹，研究成果很大的突破點是，NGR5不僅是植物響應氮素的正調控因子，還是赤霉素信號傳導途徑中一個新的重要蛋白。赤霉素通過促進NGR5蛋白降解，導致全基因組甲基化修飾降低，進而促進靶基因表達，實現赤霉素調控植物生長發育。

　　此外，發現新的基因后，就可以把多個優異等位基因聚合在一起，提供一個能夠明顯減少氮肥投入，又增加產量的新育種策略。“將來可以培育出新的品種，把60年前的矮化育種缺陷彌補上，實現高產高效協同改良的育種目標。”傅向東說。

　　增產與減施的“雙贏”

　　“通過分子設計育種手段，培育高產和氮肥高效利用協同改良的作物新品種，對保障糧食安全和農業可持續發展至關重要。”傅向東正在與中科院合肥物質研究院、牛津大學等多家單位合作，聚合多個優異等位基因，培育“少投入、多產出”的綠色高產高效新品種。

　　然而，植物氮素代謝及信號傳導分子機制和調控網絡的研究，絕大多數仍集中在模式植物擬南芥中；在眾多已克隆和鑒定的基因中，在作物產量和氮肥利用效率協同改良方面具有育種應用價值的基因資源還非常有限。因此，如何在減少氮肥施用的同時實現作物產量的持續提升，仍然任重而道遠。

　　傅向東介紹，團隊未來的研究方向有三個方面。一是綜合利用各種組學手段，并結合計算生物學、合成生物學、人工智能等新興技術，系統解析氮代謝、碳代謝和植物生長發育協同調控機制。

　　二是，充分利用野生資源、農家種、主栽品種等種質材料，通過GWAS分析、QTL定位和圖位克隆等方法，系統解析控制氮肥高效利用的關鍵基因及其調控網絡，挖掘優異等位基因或者利用基因編輯技術創制新的等位變異，獲得能協同提高作物產量和氮肥高效利用的分子模塊。

　　三是，利用時空特異啟動子對關鍵基因進行表達模式改造，通過多基因聚合技術導入當前主栽品種中，以培育 “少投入、多產出”綠色高產高效農作物新品種。