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中国科学家成功鉴定水稻氮高效基因 在水稻绿色发展研究上取得重大突破

2021-01-07 11:24:03来源:中国新闻网

记者7日从中国科学院遗传与发育生物学研究所(中科院遗传发育所)获悉,该所储成才研究团队通过对过去100年间收集于全球不同地理区域52个国家及地区的110份早期水稻农家种在不同氮肥条件下进行全面的农艺性状鉴定,发现水稻分蘖(分枝)氮响应能力与氮肥利用效率变异间存在高度关联。

研究团队利用全基因组关联分析结合多重组学技术鉴定到一个水稻氮高效基因OsTCP19,其作为关键调控因子调控水稻分蘖。进一步研究发现,OsTCP19上游调控区一小段核酸片段(29-bp)的缺失与否,是不同水稻品种分蘖氮响应差异的主要原因。

储成才研究员指出,最新鉴定的氮高效基因其氮高效类型OsTCP19-H在起源于贫瘠土壤的品种中富集,而现代栽培种大多丢失。氮高效类型OsTCP19-H在水稻品种中出现的频率和稻田土壤氮含量显著负相关,并且野生稻中90%以上为氮高效基因型,暗示其贡献了水稻对低土壤肥力地区的地理适应性,且在水稻驯化过程中在低肥地区得到保留。研究团队将OsTCP19-H导入现代水稻品种,在减氮水平下可以提高氮肥利用效率20-30%,表明该基因在农业绿色发展领域有重要应用潜力。

北京时间7日凌晨,国际著名学术期刊《自然》以长文形式在线发表了中国科学家在水稻绿色发展研究上取得的这项重大突破,这项研究也获多位国际同行专家的高度评价。

英国约翰英纳斯研究所所长桑德斯(Sanders)教授称,“这是一项真正的开创性工作,不仅对理解植物(水稻)的氮调控机制有重要意义,也对减少化肥使用具有巨大的意义”。

德国马普分子植物生理所费尼(Fernie)教授认为,“论文作者证明了OsTCP19等位基因多样性与水稻地理分布相关,这一出色研究告诉我们,通过重新追溯我们的育种历史,并理解现代集约化农业的适应性改良,可以找到一种减少化肥投入但不牺牲粮食产量的解决方案”。

德国植物遗传与作物育种研究所营养学家冯·威伦(von Wiren)教授表示,该研究发现氮高效等位基因与土壤低氮含量相关,使得这一结果具有多方面的重要意义,也显示出深度挖掘优异遗传变异对种质改良的巨大潜力。

中科院遗传发育所介绍说,全球粮食产量自上世纪60年代初起持续增加,据联合国粮农组织统计,粮食不断增产的主要推动力是化肥的大量施用,其中绝大部分是氮肥。2018年,全球化肥用量达2亿吨,而中国年化肥用量超过全世界化肥总消耗量的33%,氮肥利用效率只有30%左右,不到西方发达国家的一半。而化肥的过量施用,不仅对空气、土壤和水体造成污染,也给农业可持续发展带来巨大环境压力。此外,长期高肥下的育种导致一些重要基因资源的丢失,以致主栽水稻品种肥料利用效率普遍较低。

储成才研究团队对OsTCP19这一关键氮高效基因的鉴定,依赖于一个多样性的农家种水稻群体资源。这些农家种是在现代高产水稻品种推广之前,也就是氮肥大量施用之前,世界各地农家种植的本地品种,世界各地气候土质的巨大差异也造就了农家品种丰富的遗传多样性。研究人员通过对水稻种子库中这些“古早”的水稻品种进行基因分析,最终定位了基因组上这一关键变异。通过对世界水稻种植区土壤氮含量数据分析,研究团队发现,土壤越贫瘠的地方,OsTCP19氮高效变异越常见,并随着土壤氮含量的增加,氮高效类型品种逐步减少,而中国现代水稻品种中这一氮高效变异几乎全部丢失。

“将这一氮高效变异重新引入现代水稻品种,在氮素减少的条件下,水稻氮肥利用效率可提高20-30%,也就是说,在水稻生产中,使用更少的化肥,也能达到相同的产量。”储成才表示,中国提出力争2060年前实现碳中和,而农业领域的节能减排,特别是减少化肥的施用至关重要,研究团队最新科研成果为实现碳中和目标提供了一个全新的思路。(记者 孙自法)

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