出品：科普中國

制作：郭容羽 鈺青（北京科影藝林團隊）

監制：中國科普博覽

“高產”與“早熟”，在傳統的農業生產中是一組矛盾的詞。

因為實現高產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周期，生長周期短，生物量小。所以，一般條件下，高產和生育期呈負相關，生育期短、早熟的作物產量低，生育期長的作物產量高。

而2022年7月，中國科學家發表在國際學術期刊《科學》上的研究中發現的水稻高產基因OsDREB1C打破了這個矛盾，那么，基因OsDREB1C為何可以打破農業生產“高產不早熟，早熟不高產”的傳統，讓水稻實現既高產又早熟呢？

（圖片來源：作者提供）

“高產又早熟”到底是怎么實現的？

1、水稻產量影響因素

要想揭開基因OsDREB1C讓水稻實現高產的秘密，我們不妨先了解水稻產量的影響因素。

水稻產量的物質來源主要是光合產物，其通過葉片中的葉綠素吸收光能，把二氧化碳和水合成有機物，然后輸送給植物的其他部位。在植物生長前期的營養生長階段，光合產物主要是提供植物生長所需要的蛋白質與能量。開花以后，植物進入了生殖生長階段，葉片中合成的光合產物，以及儲存在莖稈中的光合產物向籽粒運輸。所以，產量的形成離不開光合作用合成的有機物，它通過一系列的運輸，最后儲存在籽粒里面。

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農作物產量，涉及到這些影響光合產物合成、運輸到分配、儲存各個環節的各種因素。因此，影響到這些過程中的各種因素都可能會讓產量發生變化。而新發現的水稻高產基因OsDREB1C可以影響光合產物合成等因素，表現為提高光合作用效率和氮素利用效率，顯著提高水稻產量。

2、水稻如何實現高產

對于植物而言，氮是不可缺少的，與光合作用具有密切關系，會影響光合作用的效率。同時，氮是構成蛋白質的主要成分，對莖葉的生長等有重要作用。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就會受到影響。而基因OsDREB1C是一個氮高效基因，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，不但增加農民的種植成本，還會造成環境污染。育種家致力于在育種上挖掘氮高效基因，實現“減氮不減產”，從而為減少農民種植成本，為實現“生態友好型”水稻高產提供保證。

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3、水稻如何實現早熟

水稻生殖生長期包括孕穗期、抽穗開花期和灌漿結實期。抽穗開花期是指稻穗從頂端劍葉莖鞘里抽出到開花齊穗這段時間，一般5-7天。水稻開花早晚受負責調節成花素的基因影響，成花素是相當于誘導開花的一種物質，其含量越高，抽穗與開花就越早。這次發現的基因OsDREB1C也是調節成花素的基因，能提高成花素的含量，使水稻表現出抽穗提早，生育期縮短，導致早熟，從而打破了“高產”與“早熟”的矛盾，讓水稻實現既高產又早熟。

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水稻高產基因為何如此神通廣大？

植物的性狀是由很多基因相互作用形成的，一個性狀就有一個基因陣容，像是一個系統的通路。而新發現的水稻高產基因OsDREB1C是一個轉錄因子，它就像是一個“分子開關”，在這個通路的最上面，下面有控制光合作用、氮素吸收利用以及開花等途徑的很多基因，這個基因的表達量提高以后，通過基因調控的網絡，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了，從而協同調控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。

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這么厲害的發現。該如何推廣應用呢？

高產基因的發現是進行高產育種的前提條件，但基因OsDREB1C最后能不能在高產中應用，還需要克服很多困難。

育種，首先需要創制親本材料。可以通過雜交的方式，把帶有這個基因的水稻作為一個供體，與不同地區的主栽品種進行雜交。把OsDREB1C這個基因導入到不同的品種背景中，一方面可以驗證它在不同品種背景中的增產效果，另一方面可以創制適應不同生態區的高產的材料。

或者通過基因編輯的方式來實現，如果基因編輯能夠成功，可能離應用就是最近的。如果通過基因編輯把這個基因的表達量提高，哪怕是達到一半的效果，在育種方面產生的助力就非常可觀了。

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水稻高產基因的發現打破了長期存在于農業生產中“高產”與“早熟”之間的矛盾；同時，在不同作物中也具有很大的應用前景，將為實現種業振興提供支持，為保障國家糧食安全、保護環境做出貢獻。

審核：徐建龍（中國農業科學院作物科學研究所二級研究員）

編輯：孫晨宇

來源: 中國科普博覽

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