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中国科学家找回“古早”水稻基因,可提高氮肥利用效率
阅读 374  ·  发布日期 2021-01-07

1月6日,国际著名杂志《自然》以长文报道了中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组的重要研究成果。科学家利用全基因组关联分析,鉴定了一个关键的氮高效基因OsTCP19,并详细解析了其上下游调控机制。氮高效基因类型OsTCP19在起源于贫瘠土壤的品种中富集,而现代栽培种大多丢失。研究组将氮高效基因类型OsTCP19导入现代水稻品种,在减氮条件下可以提高水稻氮肥利用效率20-30%。这一发现不仅对于减少化肥施用至关重要,也为实现农业领域的节能减排、推动农业绿色发展提供全新思路。

储成才研究组对过去100年间收集于全球不同地理区域52个国家(地区)的110份早期水稻农家种进行了全面的农艺性状鉴定,发现不同氮肥条件下,水稻分蘖(分枝)氮响应能力与氮肥利用效率变异间存在高度关联。研究组利用全基因组关联分析技术鉴定到一个水稻氮高效基因OsTCP19,其作为关键调控因子调控水稻分蘖。

进一步研究发现,OsTCP19上游调控区一小段核酸片段(29-bp)的缺失与否是不同水稻品种分蘖氮响应差异的主要原因。氮高效品种中的OsTCP19调控区缺失该29-bp核酸序列,氮响应负调控因子LBD蛋白可以高效结合在该位点附近并抑制OsTCP19转录表达。通过多重组学分析,OsTCP19作为调控因子抑制分蘖促进基因DLT的表达,进而实现对水稻分蘖发育的调控,揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础。氮高效品种在低氮或者中氮条件下分蘖数更多,从而提高氮的利用效率。

长期以来,育种的首要目标是高产,使水稻能在大量施用化肥情况下,获得较高产量。然而,这导致一些重要基因资源的丢失,以致主栽水稻品种肥料利用效率普遍较低。通过对世界水稻种植区土壤氮含量数据分析,研究团队发现,土壤越贫瘠的地方,OsTCP19氮高效变异越常见,并随着土壤氮含量的增加,氮高效类型品种逐步减少,而我国现代水稻品种中这一氮高效变异几乎全部丢失。

世界各地气候、土质的巨大差异造就了农家品种丰富的遗传多样性。在水稻种子库中,集合了在现代高产水稻品种推广之前,也就是氮肥大量施用之前,世界各地农家种植的本地品种。研究人员通过对这些“古早”的水稻品种进行基因遗传分析,最终定位了基因组上这一关键变异。将这一氮高效变异重新引入现代水稻品种,从而在水稻种植过程中使用更少的化肥,也能达到相同的产量。

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