“高產(chǎn)”與“早熟”，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是一組矛盾的詞。

因?yàn)閷?shí)現(xiàn)高產(chǎn)的前提條件是要有一定的生物量，而一定的生物量，必須要有一定的生長(zhǎng)周期，生長(zhǎng)周期短，生物量小。所以，一般條件下，高產(chǎn)和生育期呈負(fù)相關(guān)，生育期短、早熟的作物產(chǎn)量低，生育期長(zhǎng)的作物產(chǎn)量高。

而2022年7月，中國(guó)科學(xué)家發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上的研究中發(fā)現(xiàn)的水稻高產(chǎn)基因OsDREB1C打破了這個(gè)矛盾，那么，基因OsDREB1C為何可以打破農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“高產(chǎn)不早熟，早熟不高產(chǎn)”的傳統(tǒng)，讓水稻實(shí)現(xiàn)既高產(chǎn)又早熟呢？

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水稻產(chǎn)量影響因素

要想揭開(kāi)基因OsDREB1C讓水稻實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的秘密，我們不妨先了解水稻產(chǎn)量的影響因素。

水稻產(chǎn)量的物質(zhì)來(lái)源主要是光合產(chǎn)物，其通過(guò)葉片中的葉綠素吸收光能，把二氧化碳和水合成有機(jī)物，然后輸送給植物的其他部位。在植物生長(zhǎng)前期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，光合產(chǎn)物主要是提供植物生長(zhǎng)所需要的蛋白質(zhì)與能量。開(kāi)花以后，植物進(jìn)入了生殖生長(zhǎng)階段，葉片中合成的光合產(chǎn)物，以及儲(chǔ)存在莖稈中的光合產(chǎn)物向籽粒運(yùn)輸。

所以，產(chǎn)量的形成離不開(kāi)光合作用合成的有機(jī)物，它通過(guò)一系列的運(yùn)輸，最后儲(chǔ)存在籽粒里面。

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農(nóng)作物產(chǎn)量，涉及到這些影響光合產(chǎn)物合成、運(yùn)輸?shù)椒峙?、?chǔ)存各個(gè)環(huán)節(jié)的各種因素。因此，影響到這些過(guò)程中的各種因素都可能會(huì)讓產(chǎn)量發(fā)生變化。而新發(fā)現(xiàn)的水稻高產(chǎn)基因OsDREB1C可以影響光合產(chǎn)物合成等因素，表現(xiàn)為提高光合作用效率和氮素利用效率，顯著提高水稻產(chǎn)量。

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水稻如何實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)

對(duì)于植物而言，氮是不可缺少的，與光合作用具有密切關(guān)系，會(huì)影響光合作用的效率。同時(shí)，氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，對(duì)莖葉的生長(zhǎng)等有重要作用。

如果土壤里面的氮肥不夠，或者是植物吸收的氮不夠，它的光合作用和各方面的生長(zhǎng)就會(huì)受到影響。而基因OsDREB1C是一個(gè)氮高效基因，哪怕土壤里面只有少量的氮，它都能充分利用。

除此之外，如果氮元素的利用效率不高，大量使用氮肥容易造成浪費(fèi)，不但增加農(nóng)民的種植成本，還會(huì)造成環(huán)境污染。育種家致力于在育種上挖掘氮高效基因，實(shí)現(xiàn)“減氮不減產(chǎn)”，從而為減少農(nóng)民種植成本，為實(shí)現(xiàn)“生態(tài)友好型”水稻高產(chǎn)提供保證。

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水稻如何實(shí)現(xiàn)早熟

水稻生殖生長(zhǎng)期包括孕穗期、抽穗開(kāi)花期和灌漿結(jié)實(shí)期。

抽穗開(kāi)花期是指稻穗從頂端劍葉莖鞘里抽出到開(kāi)花齊穗這段時(shí)間，一般5-7天。水稻開(kāi)花早晚受負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)成花素的基因影響，成花素是相當(dāng)于誘導(dǎo)開(kāi)花的一種物質(zhì)，其含量越高，抽穗與開(kāi)花就越早。這次發(fā)現(xiàn)的基因OsDREB1C也是調(diào)節(jié)成花素的基因，能提高成花素的含量，使水稻表現(xiàn)出抽穗提早，生育期縮短，導(dǎo)致早熟，從而打破了“高產(chǎn)”與“早熟”的矛盾，讓水稻實(shí)現(xiàn)既高產(chǎn)又早熟。

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水稻高產(chǎn)基因?yàn)楹稳绱松裢◤V大？

植物的性狀是由很多基因相互作用形成的，一個(gè)性狀就有一個(gè)基因陣容，像是一個(gè)系統(tǒng)的通路。

而新發(fā)現(xiàn)的水稻高產(chǎn)基因OsDREB1C是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，它就像是一個(gè)“分子開(kāi)關(guān)”，在這個(gè)通路的最上面，下面有控制光合作用、氮素吸收利用以及開(kāi)花等途徑的很多基因，這個(gè)基因的表達(dá)量提高以后，通過(guò)基因調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)，把下游的光合作用基因、氮吸收高效利用基因以及影響抽穗期的基因都啟動(dòng)了，從而協(xié)同調(diào)控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。

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如何推廣應(yīng)用？

高產(chǎn)基因的發(fā)現(xiàn)是進(jìn)行高產(chǎn)育種的前提條件，但基因OsDREB1C最后能不能在高產(chǎn)中應(yīng)用，還需要克服很多困難。

育種，首先需要?jiǎng)?chuàng)制親本材料。可以通過(guò)雜交的方式，把帶有這個(gè)基因的水稻作為一個(gè)供體，與不同地區(qū)的主栽品種進(jìn)行雜交。把OsDREB1C這個(gè)基因?qū)氲讲煌钠贩N背景中，一方面可以驗(yàn)證它在不同品種背景中的增產(chǎn)效果，另一方面可以創(chuàng)制適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)的高產(chǎn)的材料。

或者通過(guò)基因編輯的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果基因編輯能夠成功，可能離應(yīng)用就是最近的。如果通過(guò)基因編輯把這個(gè)基因的表達(dá)量提高，哪怕是達(dá)到一半的效果，在育種方面產(chǎn)生的助力就非?？捎^了。

水稻高產(chǎn)基因的發(fā)現(xiàn)打破了長(zhǎng)期存在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中“高產(chǎn)”與“早熟”之間的矛盾。同時(shí)，在不同作物中也具有很大的應(yīng)用前景，將為實(shí)現(xiàn)種業(yè)振興提供支持，為保障國(guó)家糧食安全、保護(hù)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

“一粥一飯當(dāng)思來(lái)之不易”，昨天是世界糧食日，讓我們一起感謝為我國(guó)糧食安全做出努力的科學(xué)家們，也要時(shí)刻記得，節(jié)約糧食，避免浪費(fèi)。

出品｜科普中國(guó)

作者｜郭容羽 鈺青 北京科影藝林團(tuán)隊(duì)

審核｜徐建龍 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所二級(jí)研究員

監(jiān)制｜中國(guó)科普博覽

選送單位：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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來(lái)源: 嘮科開(kāi)腦洞