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粮食增产不增“肥”
时间:2021-01-07 11:27:43

水稻能否高效利用氮肥的幕后操控者找到了!

来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员,利用全基因组关联分析,鉴定出水稻的一个氮高效基因OsTCP19。他们发现,土壤越贫瘠的地方,水稻中氮高效基因OsTCP19越常见,但随着土壤氮含量增加,拥有氮高效基因的水稻品种逐步减少,而我国现代水稻品种中这一氮高效变异几乎全部丢失。相关研究成果1月7日在线发表于《自然》杂志。

氮高效基因:氮肥利用效率的操控者

上世纪60年代初以来,全球粮食产量持续增加,为全球范围粮食安全提供了基本保障。据联合国粮农组织统计,截至2018年末,以小麦、水稻、玉米计的全球粮食年总产量达26.6亿吨,是1961年的3.6倍。

“在全球耕地面积仅增加15.5%的条件下,粮食不断增产的主要推动力是化肥的大量施用,其中绝大部分是氮肥。”论文通讯作者、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员储成才说。

然而,化肥的过量施用,不仅会对空气、土壤和水体造成污染,也给农业可持续发展带来了巨大的环保压力。

与此同时,面对人口的爆炸式增长,长期以来育种的首要目标是高产。推动水稻第一次绿色革命的矮秆育种,使水稻能在大量施用化肥情况下,不会因植株过高而造成倒伏,从而在高肥下获得较高产量。“然而,长期高肥下的育种导致一些重要基因资源丢失,以致主栽水稻品种肥料利用效率普遍较低。”储成才直言。

为解决这一问题,研究人员收集了过去100年间分布于全球不同地理区域的52个国家(地区)的110份早期水稻农家种,并进行全面的农艺性状鉴定。他们发现,在众多农艺性状中,因土壤中氮含量变化而导致的水稻分蘖(分枝)数改变与氮高效基因存在高度关联。研究人员利用全基因组关联分析和多重组学技术鉴定出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。

“也就是说,氮素调控水稻分蘖发育,是通过氮高效基因OsTCP19实现的,我们的研究成果揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础。”储成才说。

新解决方案:粮食增产不增“肥”

这一关键氮高效基因的鉴定依赖于一个多样性的农家种水稻群体资源。在现代高产水稻品种推广之前,也就是氮肥大量施用之前,这些农家种是世界各地农家种植的本地品种。

研究人员通过对水稻种子库中这些“古早”的水稻品种进行基因分析,最终定位鉴定了基因组上这一关键变异。有意思的是,在起源于贫瘠土壤的水稻品种中,这一氮高效基因很多,而在现代栽培的水稻品种中,这一氮高效基因大多丢失。

“如果将这一氮高效基因重新引入现代水稻品种,在氮素减少的条件下,水稻氮肥利用效率可提高20—30%,也就是说,在水稻生产中,使用更少的化肥,也能达到相同的产量。”储成才自信地说。

储成才表示,我国争取在2060年前实现碳中和,而农业领域的节能减排,特别是减少化肥的施用至关重要。这项研究成果为实现这一宏伟目标提供了一个全新的思路。

英国约翰英纳斯研究所(JIC)所长桑德斯教授如此评价这项研究,“真正的开创性工作”“不仅对理解植物(水稻)氮肥利用的调控机制有重要意义,也对减少化肥使用具有巨大的意义”。

德国马普分子植物生理所教授弗尼在其评论文章中写道:“这一出色研究告诉我们,通过重新追溯我们的育种历史,并理解现代集约化农业的适应性改良,可以找到一种减少化肥投入但不牺牲粮食产量的解决方案。”

华中农业大学教授、“绿色超级稻”理念的倡导者张启发院士认为,这项研究进一步解析了水稻氮肥利用效率的分子机制,为培育“绿色超级稻”提供了新基因,有望在实现提高产量的同时减少化肥的施用。

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