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中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的研究人員通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，在水稻中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)高效氮基因ostcp19。他們發(fā)現(xiàn)，土壤越貧瘠，水稻中的高效氮基因ostcp19就越普遍。然而，隨著土壤含氮量的增加，具有氮素高效基因的水稻品種逐漸減少，而我國(guó)現(xiàn)代水稻品種幾乎全部喪失了這種氮素高效變異。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在1月7日的《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。

氮效率基因：氮利用效率的控制者

自20世紀(jì)60年代初以來(lái)，全球糧食產(chǎn)量持續(xù)增加，為全球糧食安全提供了基本保障。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，世界小麥、水稻、玉米年糧食總產(chǎn)量達(dá)到26.6億噸，是1961年的3.6倍。

“在全球耕地面積僅增加15.5%的情況下，糧食增產(chǎn)的主要?jiǎng)恿κ谴笠?guī)模施用化肥，其中大部分是氮肥?！北疚耐ㄓ嵶髡?、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員褚成才，中國(guó)科學(xué)院院士說(shuō)。

然而，過(guò)量施用化肥不僅會(huì)污染大氣、土壤和水體，而且會(huì)給農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大的環(huán)境壓力。

同時(shí)，面對(duì)人口的爆炸式增長(zhǎng)，育種的首要目標(biāo)是長(zhǎng)期高產(chǎn)。矮稈育種促進(jìn)了水稻的第一次綠色革命，使水稻在高肥條件下獲得更高的產(chǎn)量，而不因株高而倒伏?！钡牵L(zhǎng)期的高肥育種導(dǎo)致了一些重要基因資源的流失，導(dǎo)致水稻主要品種肥料利用效率低下。

為解決這一問(wèn)題，研究人員收集了近百年來(lái)世界不同地理區(qū)域52個(gè)國(guó)家（地區(qū)）的110個(gè)早稻品種，進(jìn)行了綜合農(nóng)藝性狀鑒定。他們發(fā)現(xiàn)，在許多農(nóng)藝性狀中，由土壤含氮量變化引起的分蘗（分枝）數(shù)變化與氮效率基因高度相關(guān)。利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和多重重組技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)水稻氮素高效基因ostcp19，它是調(diào)控水稻分蘗的關(guān)鍵調(diào)控因子。

也就是說(shuō)，氮素對(duì)水稻分蘗發(fā)育的調(diào)控是通過(guò)氮素高效基因ostcp19實(shí)現(xiàn)的。我們的研究結(jié)果揭示了氮素調(diào)控水稻分蘗發(fā)育的分子基礎(chǔ)。

這一關(guān)鍵的氮素高效基因的鑒定依賴于不同的水稻群體資源。在現(xiàn)代水稻高產(chǎn)品種推廣之前，即大規(guī)模施用氮肥之前，這些農(nóng)家品種都是世界各地農(nóng)民種植的地方品種。

通過(guò)對(duì)水種子庫(kù)中這些“古早”水稻品種的基因分析，研究人員最終定位并鑒定了基因組中的這一關(guān)鍵變異。有趣的是，水稻品種中有許多氮高效基因起源于貧瘠的土壤，而現(xiàn)代栽培水稻品種中大部分基因缺失。

褚成才自信地說(shuō)：“如果將這種氮效率基因重新導(dǎo)入現(xiàn)代水稻品種，在降低氮素的條件下，水稻的氮素利用效率可以提高20%-30%，也就是說(shuō)，在水稻生產(chǎn)中，用較少的化肥就能達(dá)到同樣的產(chǎn)量?！?/p>

褚成才說(shuō)，我國(guó)將力爭(zhēng)到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，農(nóng)業(yè)節(jié)能減排，特別是減少化肥的使用至關(guān)重要。這一研究成果為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)提供了新的思路。

英國(guó)約翰·因納斯研究所所長(zhǎng)桑德斯教授評(píng)論說(shuō)，“真正的開(kāi)創(chuàng)性工作”不僅對(duì)理解植物（水稻）氮素利用的調(diào)控機(jī)制具有重要意義，而且對(duì)減少化肥的使用也具有重要意義?！?/p>

費(fèi)尼說(shuō)：“這項(xiàng)出色的研究告訴我們，通過(guò)追溯我們的育種歷史，了解現(xiàn)代集約農(nóng)業(yè)的適應(yīng)性改良，我們可以找到在不犧牲糧食產(chǎn)量的情況下減少肥料投入的解決辦法?！钡聡?guó)馬普爾研究所分子植物生理學(xué)教授在其綜述文章

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、倡導(dǎo)“綠色超級(jí)稻”概念的張其發(fā)院士認(rèn)為，本研究進(jìn)一步分析了水稻氮素利用效率的分子機(jī)理，為培育“綠色超級(jí)稻”提供了新的基因，有望在增產(chǎn)的同時(shí)減少施肥。