在北京顺义，有一块面积不小的稻田。这是中国农业科学院作物科学研究所的试验田。
前不久，该所研究员团队，发现了水稻高产基因（OsDREB1C），可同时提高氮素利用效率和光合作用效率，可将作物产量提高30%以上。
中科院院士评价称：“这个基因的发现无疑具有重要的科学价值和应用前景，其应用将实现对水稻和其他作物的改良，并为保障国家粮食安全、生态安全做出更大的贡献。”
在田间实验中，他们观察到OsDREB1C能让水稻提前抽穗，从而缩短整个生长周期。在“秀水134”水稻品种中过量表达该基因，抽穗期至少提前2天，田间产量较野生型提高30.1~41.6%，同时收获指数提高14.8~15.7%。
在北京的长日照条件下，在水稻品种“日本晴”中，过表达该基因之后可提前抽穗13-19天，这能将水稻产量提高41.3~68.3%，收获指数提高40.3~55.7%。
世界粮食安全面临巨大挑战，亟需培育高产、高效协同的作物新品种
粮食安全是件大事。但是，随着世界人口的持续增长和耕地面积的不断缩减，加之国际冲突、极端气候和新冠疫情的影响，全球粮食安全问题日趋严峻。因此，世界粮食安全面临着巨大挑战。
作为世界人口第一大国的中国，粮食安全是维护国家安全的重要基石。近年来，中国粮食产量稳中有升，但粮食进口量也呈现逐年快速增长的趋势，粮食自给率由2000年的93.6%降至2020年的65.8%。
与此同时，随着现代化和城镇化进程的推进，过去10年间耕地面积共减少1.13亿亩。预测2030年中国人口将达14.5亿，因此国内的水稻、小麦、玉米等主要粮食作物的生产能力须提高20%以上。
在有限耕地面积的情况下，进一步提高作物单产是确保粮食安全的主要途径。
作为世界化肥消费第一大国，中国每年的氮肥用量占世界总施用量的35%以上。2000年之后，中国氮肥施用量仍以每年3%的速度增加。
氮肥的过量施用，不仅没有持续提高作物产量，反而导致了严重的环境污染问题（包括土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等），以及作物“贪青晚熟”的现象，进而影响作物产量和后茬作物播种。
众所周知，玉米的产量远高于水稻和小麦，几乎是它们的两倍，主要原因在于它们的光合作用方式不同。
玉米属于碳四（C4）植物，具有独特花环结构（Kranzanatomy）的维管束鞘细胞，能将更多的CO2浓缩至核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase，Rubisco）周围，进而提高RubisCO的羧化效率，降低光呼吸的消耗，实现对光能的高效利用。同时，玉米的氮素利用效率和水分利用效率都比较高。
而水稻和小麦属于碳三（C3）植物，光合作用仅在叶肉细胞中进行，其光合效率远低于C4植物，产量也相对较低。
如何使水稻等C3作物，具备C4作物的高光合效率、以及高氮素利用效率等优点，借此培育出高产、高效协同的作物新品种，是当前作物科学领域的国际前沿热点。
从具体原理来讲，光合作用是地球上一切生命物质和能量的基础，植物通过光合作用将CO2同化为有机物，是作物生物量和产量形成的基础。
另一方面，植物通过地下部根吸收的氮素，是叶绿素、氨基酸、蛋白、核酸以及次级代谢物等的重要组成成分，也是作物生长发育和产量形成的关键限制因子。
因此，只有作物地上部地下部的碳氮代谢协同才能实现作物高产和氮肥高效的统一。
其中，第一作者魏少博也是田间实验的“管理员”。过去四年间，课题组辗转北京、三亚、杭州多地下田做实验。
此次论文中提到的OsDREB1C基因，在不同作物中具有保守性功能，这使其可能具有广泛的应用前景与发展潜力，有望用于水稻、小麦、大豆等主要粮食作物、以及蔬菜等园艺作物。
整体来看，该研究为未来实现“绿色高效”的粮食生产提供了可行的解决方案，对于增加中国粮食自给能力、减少粮食进口、保障国家粮食安全、以及推动农业可持续集约化生产具有重要意义。
其中一位审稿人表示，这是一项令人信服的研究，认为该课题组高质量地完成了大量试验，清晰而全面地阐明了水稻高产早熟的生理分子机制，令人印象深刻。
植物生物学家、美国国家科学院院士朱健康评价称，“该基因的增产幅度大，这是很少见的。”
将探索高产早熟新品种的大田生产模式
2014年，一篇发在NatureBiotechnology的论文，展示了118个转录因子，为学界研究玉米和水稻的光合作用提供了重要借鉴。
对于118个转录因子、在水稻光照条件和低氮条件中的诱导表达情况，团队鉴定出转录因子OsDREB1C，发现它能同时被光和低氮调控。基因的功能到底如何？为此，课题组针对不同作物，在不同地点开展了多年的田间试验。
研究过程主要分为如下四个阶段：
其一，通过构建过表达、以及基因敲除材料，进一步研究其生理功能（过表达是将目的基因在宿主细胞大量表达的过程）。
其二是大田表型和生理功能分析阶段。该团队通过大田试验发现，OsDREB1C过表达水稻材料的产量，比野生型有着显著提高。
课题组通过生理功能的研究发现，比起野生型的光合速率，OsDREB1C过表达的植株有着显著提高，在光下生长速度更快，并且叶片中积累更多光合同化产物。同时，过表达植株对氮素的吸收转运能力增强，能将更多的氮素分配到籽粒中，从而显著提高了氮素利用效率。
而在田间的不同施氮条件下，产量试验表明在不施用氮肥的条件下，OsDREB1C过表达植株的产量，已达到、甚至高于野生型在施用氮肥条件下的产量水平，即实现了“减氮不减产”。
需要说明的是，OsDREB1C实现“高产早熟”的基础，在于其光合效率和氮素利用效率的协同提高：即在营养生长阶段快速地生长，以便积累足够多的生物量，同时在生殖生长阶段将大量的碳氮同化产物分配至籽粒中，最终让产量显著提升。
其三是分子机制解析的阶段。期间，该团队进一步利用多种试验手段解析OsDREB1C发挥生理功能的分子作用机制。通过ChIP-seq、DAP-seq和RNA-seq等方法，找到了OsDREB1C调控的345个下游靶基因。
借助GO富集的分析，研究人员发现OsDREB1C主要参与调控“跨膜运输”“氮素代谢”“初级代谢过程”“响应胁迫”“花发育调控”“响应光刺激”等生物过程，其中包括分别作用于光合（OsRBCS3）、氮素利用（OsNRT1.1B、OsNRT2.4、OsNR2）和开花（OsFTL1）等途径的靶基因。
通过ChIP-qPCR和EMSA等实验，该团队证实OsDREB1C能够直接结合在OsRBCS3的启动子、OsNR2、OsNRT2.4、OsNRT1.1B以及OsFTL1的外显子上，进而激活这些基因的表达，从而协同调控光合效率、氮素利用效率、以及抽穗期等三个生理过程。
其四是多物种验证的阶段。该团队通过在高产栽培稻品种“秀水134”、普通小麦品种“Fielder”以及拟南芥中进行多物种验证，发现过表达OsDREB1C均具有提高产量、或生物量、以及促进开花的保守性功能。
未来，课题组将通过常规育种、以及基因编辑育种等手段，创制水稻、小麦等新种质和材料；也将进一步通过转基因等手段创制玉米、大豆、油菜等作物高产种质材料；同时还计划开展大田配套栽培技术研究，以在大田生产条件下评估该基因在不同作物中的增产效果，从而探索高产早熟新品种的大田生产模式。
参考资料：
1.Wei,S.,Li,X.,Lu,Z.,Zhang,H.,Ye,X.,Zhou,Y.,...&Zhou,W.(2022).Atranscriptionalregulatorthatboostsgrainyieldsandshortensthegrowthdurationofrice.Science,377(6604),eabi8455.