遺傳發(fā)育所學(xué)者發(fā)現(xiàn)培育新“綠色革命”作物品種的關(guān)鍵基因
上世紀(jì)60年代，以半矮稈新品種培育為標(biāo)志的“綠色革命”帶來了全球谷物產(chǎn)量的大幅增長，目前這些半矮化、耐高肥、抗倒伏的品種類型在當(dāng)代小麥和水稻作物育種中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。
但是，攜帶“綠色革命”基因的農(nóng)作物中抑制植物生長的DELLA蛋白高水平積累，導(dǎo)致其對氮肥的響應(yīng)較弱、氮肥利用效率下降，使得氮肥施用量逐年增加，環(huán)境破壞日益嚴(yán)重。
8月16日，國際著名學(xué)術(shù)刊物《自然》在線發(fā)表了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究團(tuán)隊關(guān)于植物生長與代謝協(xié)同調(diào)控分子機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)。該項成果是中國科學(xué)院“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的又一重要突破，有助于我們進(jìn)一步深入理解植物氮代謝，從而培育“少投入、多產(chǎn)出”高產(chǎn)作物新品種，實現(xiàn)可持續(xù)的糧食安全。
GRF4提高水稻（小麥）氮肥利用效率和產(chǎn)量
傅向東研究團(tuán)隊在攜帶“綠色革命”基因的水稻資源材料中篩選到一個氮素吸收速率顯著增加的新品系，通過QTL定位和圖位克隆技術(shù)獲得了控制水稻氮素吸收的關(guān)鍵基因GRF4。
GRF4之前就被證實是可能參與了赤霉素信號傳遞途徑，對促進(jìn)植物生長發(fā)育起到重要作用，只是具體分子調(diào)控機(jī)制不是很清楚。該團(tuán)隊的研究證實，GRF4基因編碼一個植物碳-氮代謝的正調(diào)控因子，可以促進(jìn)氮素吸收、同化和轉(zhuǎn)運途徑，以及光合作用、糖類物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)運等，進(jìn)而促進(jìn)植物生長發(fā)育。
“GRF4能與DELLA蛋白相互作用，實現(xiàn)植物葉片光合碳固定和根系氮吸收的協(xié)同調(diào)控，從而維持植物生長與碳-氮代謝平衡?！备迪驏|說，“這一新發(fā)現(xiàn)揭示了植物生長和代謝的耦合的分子機(jī)制。進(jìn)一步的研究證實了可以利用優(yōu)異等位基因GRF4培育水稻和小麥新品種，不僅提高其氮肥利用效率，同時還可保持其優(yōu)良的半矮化和高產(chǎn)特性。”
GRF4新功能的發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對于赤霉素信號傳遞通路的認(rèn)識，而且從分子水平闡明了“綠色革命”矮桿育種伴隨氮肥利用效率低下的原因，并提出了明確的解決方案。名古屋大學(xué)松岡信教授評論認(rèn)為，這項發(fā)現(xiàn)為“少投入、多產(chǎn)出、保護(hù)環(huán)境”的綠色高產(chǎn)高效農(nóng)作物分子設(shè)計育種奠定了理論基礎(chǔ)，并提供具有重要育種利用價值的新基因資源。
背景資料
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究團(tuán)隊長期致力于農(nóng)作物減肥增產(chǎn)方面的研究。截至目前，實驗室克隆并報道了多個水稻高產(chǎn)基因，包括dep1、GW8、GW7、NPT1/OsOTUB1、LGY3/OsMADS1。其中優(yōu)異等位基因dep1不僅在當(dāng)前高產(chǎn)水稻育種中得到了廣泛應(yīng)用，而且該基因還被證實在提高水稻氮肥利用效率方面發(fā)揮了重要作用。
氮是促進(jìn)植物生長和發(fā)育的必需的大量營養(yǎng)元素之一，占植物干重的1.5-2%以及植物總蛋白的16%，是氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、激素等的組成成分。氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥品種，它對提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量有重要的作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用氮肥一直是作物高產(chǎn)的重要措施之一，但是隨著氮肥施用量的增加，植株迅速長高易倒伏反而會導(dǎo)致減產(chǎn)。
20世紀(jì)60年代，以“半矮稈高產(chǎn)新品種育種”為標(biāo)志的“綠色革命”帶來了全球谷物產(chǎn)量的大幅增長，目前這些矮化抗倒伏的品種類型在當(dāng)代小麥和水稻作物育種中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，攜帶“綠色革命”基因的農(nóng)作物中DELLA蛋白較高水平積累，對氮肥的響應(yīng)較弱、氮肥利用效率下降，從而導(dǎo)致氮肥施用量逐年增加。一般來講，施用的氮肥中只有少量會被植物所吸收，大部分的氮肥則被釋放到大氣或流失到水體中，不僅對環(huán)境造成了越來越嚴(yán)重的影響，而且增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此如何在氮肥施用量和作物收獲指數(shù)之間尋找新的平衡點，培育具有較高氮肥利用效率的新“綠色革命”品種，成為了尋求可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。
注本文來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所，略有修改。
