新发现助力“绿色革命”水稻新品种高产且高效(2)

傅向东指出，团队以水稻分蘖对氮素的响应为切入点，找到了赤霉素和氮素协同调控水稻生长发育的关键基因NGR5，并阐明了NGR5通过表观遗传调控水稻分蘖数等农艺性状氮素响应的分子机制。进一步研究发现，在当前主栽品种中，提高NGR5表达量不仅能提高氮肥利用效率，而且还保持优良的半矮化和高产特性，使水稻在减少施氮肥条件下获得更高的产量，为培育高产且高效的“绿色革命”新品种奠定基础。

目前，土壤中的氮肥只有约40%能被植物吸收与利用，而很大一部分氮肥随着水土的流失而流进江河湖海，或经过反硝化作用被排入大气，这不仅浪费了资源和能源，而且导致了土壤酸化、水体富营养化和温室效应等一系列生态环境问题，严重威胁着人民健康和农业可持续发展。面对粮食安全与生态安全的双重挑战，如何在适当少施氮肥的同时提高作物产量已成为当今我国乃至世界亟待解决的重大问题。

傅向东告诉记者：“半矮化的绿色革命品种虽然具有抗倒伏和高产等特性，然而此类品种却对氮肥不敏感，需要施用更多的氮肥才能获得高产。如何在保持绿色革命品种优良性状的基础上提高氮肥利用效率一直是实验室坚持的研究方向”。他指出，实验过程是把遗传学、表观遗传学与环境因素联系在一起。

傅向东研究团队通过化学诱变和遗传筛选，获得了一个对氮肥不敏感的水稻突变体，克隆了控制水稻分蘖氮素响应的关键基因NGR5，并证明NGR5的蛋白水平受到氮素的正调控和赤霉素的负调控，NGR5是赤霉素和氮素协同调控水稻分蘖的关键基因。

进一步的研究证明NGR5蛋白能与一种被称作多梳抑制复合物2的蛋白复合物互作，通过介导组蛋白H3第27位赖氨酸上三甲基化（H3K27me3）修饰水平调节靶基因的表达，以表观遗传调控的方式调控水稻分蘖等产量性状。同时傅向东研究团队还建立了一条基于NGR5的，独立于经典赤霉素信号传导途径的一条新途径。

科研与高效育种相携前行

常规育种一般需要8～10年时间，通过田间试验培育一个优良品种。怎样与育种家合作，将基础研究与育种实践有效结合起来，打破传统育种技术瓶颈，定向高效培育新品种是傅向东一直在思考的问题。因此，他与国内多家育种单位开展合作，聚合多个优异等位基因，实现在减少氮肥投入的条件下提高现有主栽品种产量，从而培育“少投入、多产出”绿色高产高效新品种。

此次的科研成果实验加起来投入至少有8年时间，包括田间试验3年，参加人数有十几人，也涉及到很多课题组的协同攻关。如中科院合肥物质研究院、分子植物卓越中心、牛津大学等。

“氮肥是植物生长发育和作物产量最重要的限制因素，通过设计育种手段培育高产和氮肥高效利用协同改良的作物新品种对保障粮食安全和农业可持续发展至关重要。”傅向东指出。

随着分子生物学、基因组学、系统生物学、合成生物学等学科的快速发展，植物氮素代谢以及信号传导的分子机制和调控网络的研究进展很快，但绝大多数研究仍集中在模式植物拟南芥中，有关作物氮肥高效利用的分子机制研究还相对较少。