新发现助力“绿色革命”水稻新品种高产且高效

 
 
新发现助力“绿色革命”水稻新品种高产且高效  
 

2月7日，《科学》杂志以封面故事形式，发表关于赤霉素和氮素协同调控植物生长发育新机制的研究成果。这是中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东研究组的又一重大成果。该成果有助于我们进一步深入理解赤霉素信号传导途径调控水稻氮肥高效利用的分子机制，为“少投入、多产出”的绿色高产高效农作物新品种培育提供了一种新的育种策略，这预示着一场新的“绿色革命”即将到来。

突破“绿色革命”弊端

“中国三大主要粮食作物化肥的利用效率只有39.2%，绝大部分释放到土地和空气中，造成环境污染，如何‘减肥增效’是当前农业可持续发展亟待解决的重大问题。”傅向东指出。

自20世纪60年代以来，以半矮秆小麦和水稻新品种培育为标志的“绿色革命”带来了全球粮食产量的大幅增长，解决了全世界范围内人口快速增长引发的粮食危机。40多年后，植物分子生物学和基因组学的发展揭开了“绿色革命”的本质归于植物激素——赤霉素的生物学效应。

傅向东在回国之前，在英国有近十年的时间一直从事“绿色革命”的分子基础研究。以矮化育种为标志的“绿色革命”给粮食生产带来的好处是增产，但植株变矮后，有一个弊端是其氮肥利用效率低，其产量增加对化肥的依赖性高。在农业生产中，为了提高作物产量，不得不大量使用氮肥。持续大量的氮肥投入不仅增加了种植成本，还导致了日益严重的环境污染。2018年，傅向东团队已经在《自然》发表赤霉素信号传导途径调控植物氮肥高效利用一研究成果。

大家对粮食的要求不仅是吃饱、好吃，还有对生活环境的需求。如何突破“绿色革命”的弊端成了傅向东心中一根紧绷的弦。该文章核心就是按产量与氮肥高效利用协同调控，达到“少投入，多产出”的核心理念做的。目前的实验数据是，正常的水稻每公顷210公斤氮素总量投入，而现在运用新基因，只需要120公斤氮素总量投入，可以达到相同的产量。

另外，傅向东告诉《中国科学报》记者，这项研究的突破点在于，发现NGR5不仅是植物响应氮素的正调控因子，还是赤霉素信号传导途径中的一个新的重要蛋白。赤霉素通过促进NGR5蛋白降解，导致全基因组甲基化修饰降低，进而促进靶基因表达，实现赤霉素调控植物生长发育。此前，一直认为赤霉素通过降解植物生长抑制因子DELLA蛋白，抑制或者激活转录因子活性，进而促进植物生长发育。

此外，发现新的基因后，就可以把多个优异等位基因聚合在一起，提供一个能够明显减少氮肥投入，又能够增加产量的新育种策略，将来可以培育出新的品种，把60年前的矮化育种缺陷弥补上，实现高产高效协同改良的育种目标。

环境保护与作物增产双赢

赤霉素是一种植物激素，赤霉素合成途径受阻遏是水稻“绿色革命”的根本，而小麦“绿色革命”则是赤霉素信号传导途径受阻所致。两者突变，实现了植株半矮化、抗倒伏的高产目标，但也伴随着氮肥利用效率的降低，造成矮秆品种需要更多化肥投入才能实现高产。

众所周知，氮肥在现代农业生产中起到重要作用，是保证粮食产量增产的重要措施之一。然而，氮肥过量投入并未大幅提高产量，反而导致经济效益和生态效益逐渐下滑，在如今环境保护与作物增产双重目标下，协同提高作物产量和氮肥利用效率具有重大的现实意义。