水稻能否高效利用氮肥的幕后操控者找到了!

來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的研究人員，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定出水稻的一個氮高效基因OsTCP19。他們發(fā)現(xiàn)，土壤越貧瘠的地方，水稻中氮高效基因OsTCP19越常見，但隨著土壤氮含量增加，擁有氮高效基因的水稻品種逐步減少，而我國現(xiàn)代水稻品種中這一氮高效變異幾乎全部丟失。相關(guān)研究成果1月7日在線發(fā)表于《自然》雜志。

氮高效基因：氮肥利用效率的操控者

上世紀(jì)60年代初以來，全球糧食產(chǎn)量持續(xù)增加，為全球范圍糧食安全提供了基本保障。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，截至2018年末，以小麥、水稻、玉米計的全球糧食年總產(chǎn)量達(dá)26.6億噸，是1961年的3.6倍。

“在全球耕地面積僅增加15.5%的條件下，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。”論文通訊作者、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員儲成才說。

然而，化肥的過量施用，不僅會對空氣、土壤和水體造成污染，也給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的環(huán)保壓力。

與此同時，面對人口的爆炸式增長，長期以來育種的首要目標(biāo)是高產(chǎn)。推動水稻第一次綠色革命的矮稈育種，使水稻能在大量施用化肥情況下，不會因植株過高而造成倒伏，從而在高肥下獲得較高產(chǎn)量。“然而，長期高肥下的育種導(dǎo)致一些重要基因資源丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。”儲成才直言。

為解決這一問題，研究人員收集了過去100年間分布于全球不同地理區(qū)域的52個國家(地區(qū))的110份早期水稻農(nóng)家種，并進(jìn)行全面的農(nóng)藝性狀鑒定。他們發(fā)現(xiàn)，在眾多農(nóng)藝性狀中，因土壤中氮含量變化而導(dǎo)致的水稻分蘗(分枝)數(shù)改變與氮高效基因存在高度關(guān)聯(lián)。研究人員利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和多重組學(xué)技術(shù)鑒定出一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為關(guān)鍵調(diào)控因子調(diào)控水稻分蘗。

“也就是說，氮素調(diào)控水稻分蘗發(fā)育，是通過氮高效基因OsTCP19實現(xiàn)的，我們的研究成果揭示了氮素調(diào)控水稻分蘗發(fā)育過程的分子基礎(chǔ)。”儲成才說。

新解決方案：糧食增產(chǎn)不增“肥”

這一關(guān)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。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，這些農(nóng)家種是世界各地農(nóng)家種植的本地品種。

研究人員通過對水稻種子庫中這些“古早”的水稻品種進(jìn)行基因分析，最終定位鑒定了基因組上這一關(guān)鍵變異。有意思的是，在起源于貧瘠土壤的水稻品種中，這一氮高效基因很多，而在現(xiàn)代栽培的水稻品種中，這一氮高效基因大多丟失。

“如果將這一氮高效基因重新引入現(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(dá)到相同的產(chǎn)量。”儲成才自信地說。

儲成才表示，我國爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和，而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排，特別是減少化肥的施用至關(guān)重要。這項研究成果為實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)提供了一個全新的思路。

英國約翰英納斯研究所(JIC)所長桑德斯教授如此評價這項研究，“真正的開創(chuàng)性工作”“不僅對理解植物(水稻)氮肥利用的調(diào)控機(jī)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教授弗尼在其評論文章中寫道：“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(yīng)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。”

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、“綠色超級稻”理念的倡導(dǎo)者張啟發(fā)院士認(rèn)為，這項研究進(jìn)一步解析了水稻氮肥利用效率的分子機(jī)制，為培育“綠色超級稻”提供了新基因，有望在實現(xiàn)提高產(chǎn)量的同時減少化肥的施用。

關(guān)鍵詞： 水稻氮肥