中國科學家成功鑒定水稻氮高效基因

記者7日從中國科學院遺傳與發育生物學研究所(中科院遺傳發育所)獲悉，該所儲成才研究團隊通過對過去100年間收集于全球不同地理區域52個國家及地區的110份早期水稻農家種在不同氮肥條件下進行全面的農藝性狀鑒定，發現水稻分蘗(分枝)氮響應能力與氮肥利用效率變異間存在高度關聯。

研究團隊利用全基因組關聯分析結合多重組學技術鑒定到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。進一步研究發現，OsTCP19上游調控區一小段核酸片段(29-bp)的缺失與否，是不同水稻品種分蘗氮響應差異的主要原因。

儲成才研究員指出，最新鑒定的氮高效基因其氮高效類型OsTCP19-H在起源于貧瘠土壤的品種中富集，而現代栽培種大多丟失。氮高效類型OsTCP19-H在水稻品種中出現的頻率和稻田土壤氮含量顯著負相關，并且野生稻中90%以上為氮高效基因型，暗示其貢獻了水稻對低土壤肥力地區的地理適應性，且在水稻馴化過程中在低肥地區得到保留。研究團隊將OsTCP19-H導入現代水稻品種，在減氮水平下可以提高氮肥利用效率20-30%，表明該基因在農業綠色發展領域有重要應用潛力。

北京時間7日凌晨，國際著名學術期刊《自然》以長文形式在線發表了中國科學家在水稻綠色發展研究上取得的這項重大突破，這項研究也獲多位國際同行專家的高度評價。

英國約翰英納斯研究所所長桑德斯(Sanders)教授稱，“這是一項真正的開創性工作，不僅對理解植物(水稻)的氮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費尼(Fernie)教授認為，“論文作者證明了OsTCP19等位基因多樣性與水稻地理分布相關，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”。

德國植物遺傳與作物育種研究所營養學家馮·威倫(von Wiren)教授表示，該研究發現氮高效等位基因與土壤低氮含量相關，使得這一結果具有多方面的重要意義，也顯示出深度挖掘優異遺傳變異對種質改良的巨大潛力。

中科院遺傳發育所介紹說，全球糧食產量自上世紀60年代初起持續增加，據聯合國糧農組織統計，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。2018年，全球化肥用量達2億噸，而中國年化肥用量超過全世界化肥總消耗量的33%，氮肥利用效率只有30%左右，不到西方發達國家的一半。而化肥的過量施用，不僅對空氣、土壤和水體造成污染，也給農業可持續發展帶來巨大環境壓力。此外，長期高肥下的育種導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。

儲成才研究團隊對OsTCP19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。這些農家種是在現代高產水稻品種推廣之前，也就是氮肥大量施用之前，世界各地農家種植的本地品種，世界各地氣候土質的巨大差異也造就了農家品種豐富的遺傳多樣性。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，最終定位了基因組上這一關鍵變異。通過對世界水稻種植區土壤氮含量數據分析，研究團隊發現，土壤越貧瘠的地方，OsTCP19氮高效變異越常見，并隨著土壤氮含量的增加，氮高效類型品種逐步減少，而中國現代水稻品種中這一氮高效變異幾乎全部丟失。