水稻能否高效利用氮肥的幕后操控者找到了!

來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所的研究人員，利用全基因組關聯分析，鑒定出水稻的一個氮高效基因OsTCP19。他們發現，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，而我國現代水稻品種中這一氮高效變異幾乎全部丟失。相關研究成果1月7日在線發表于《自然》雜志。

氮高效基因：氮肥利用效率的操控者

上世紀60年代初以來，全球糧食產量持續增加，為全球范圍糧食安全提供了基本保障。據聯合國糧農組織統計，截至2018年末，以小麥、水稻、玉米計的全球糧食年總產量達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、中國科學院遺傳與發育生物學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，也給農業可持續發展帶來了巨大的環保壓力。

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是高產。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量。“然而，長期高肥下的育種導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域的52個國家(地區)的110份早期水稻農家種，并進行全面的農藝性狀鑒定。他們發現，在眾多農藝性狀中，因土壤中氮含量變化而導致的水稻分蘗(分枝)數改變與氮高效基因存在高度關聯。研究人員利用全基因組關聯分析和多重組學技術鑒定出一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為關鍵調控因子調控水稻分蘗。

“也就是說，氮素調控水稻分蘗發育，是通過氮高效基因OsTCP19實現的，我們的研究成果揭示了氮素調控水稻分蘗發育過程的分子基礎。”儲成才說。

新解決方案：糧食增產不增“肥”

這一關鍵氮高效基因的鑒定依賴于一個多樣性的農家種水稻群體資源。在現代高產水稻品種推廣之前，也就是氮肥大量施用之前，這些農家種是世界各地農家種植的本地品種。

研究人員通過對水稻種子庫中這些“古早”的水稻品種進行基因分析，最終定位鑒定了基因組上這一關鍵變異。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，在水稻生產中，使用更少的化肥，也能達到相同的產量。”儲成才自信地說。

儲成才表示，我國爭取在2060年前實現碳中和，而農業領域的節能減排，特別是減少化肥的施用至關重要。這項研究成果為實現這一宏偉目標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，“真正的開創性工作”“不僅對理解植物(水稻)氮肥利用的調控機制有重要意義，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，并理解現代集約化農業的適應性改良，可以找到一種減少化肥投入但不犧牲糧食產量的解決方案。”

華中農業大學教授、“綠色超級稻”理念的倡導者張啟發院士認為，這項研究進一步解析了水稻氮肥利用效率的分子機制，為培育“綠色超級稻”提供了新基因，有望在實現提高產量的同時減少化肥的施用。