我国科学家发现水稻高产基因，为何可以实现既高产又早熟？

出品：科普中国

制作：郭容羽 钰青（北京科影艺林团队）

监制：中国科普博览

“高产”与“早熟”，在传统的农业生产中是一组矛盾的词。

因为实现高产的前提条件是要有一定的生物量，而一定的生物量，必须要有一定的生长周期，生长周期短，生物量小。所以，一般条件下，高产和生育期呈负相关，生育期短、早熟的作物产量低，生育期长的作物产量高。

而2022年7月，中国科学家发表在国际学术期刊《科学》上的研究中发现的水稻高产基因OsDREB1C打破了这个矛盾，那么，基因OsDREB1C为何可以打破农业生产“高产不早熟，早熟不高产”的传统，让水稻实现既高产又早熟呢？

（图片来源：作者提供）

“高产又早熟”到底是怎么实现的？

1、水稻产量影响因素

要想揭开基因OsDREB1C让水稻实现高产的秘密，我们不妨先了解水稻产量的影响因素。

水稻产量的物质来源主要是光合产物，其通过叶片中的叶绿素吸收光能，把二氧化碳和水合成有机物，然后输送给植物的其他部位。在植物生长前期的营养生长阶段，光合产物主要是提供植物生长所需要的蛋白质与能量。开花以后，植物进入了生殖生长阶段，叶片中合成的光合产物，以及储存在茎秆中的光合产物向籽粒运输。所以，产量的形成离不开光合作用合成的有机物，它通过一系列的运输，最后储存在籽粒里面。

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农作物产量，涉及到这些影响光合产物合成、运输到分配、储存各个环节的各种因素。因此，影响到这些过程中的各种因素都可能会让产量发生变化。而新发现的水稻高产基因OsDREB1C可以影响光合产物合成等因素，表现为提高光合作用效率和氮素利用效率，显著提高水稻产量。

2、水稻如何实现高产

对于植物而言，氮是不可缺少的，与光合作用具有密切关系，会影响光合作用的效率。同时，氮是构成蛋白质的主要成分，对茎叶的生长等有重要作用。如果土壤里面的氮肥不够，或者是植物吸收的氮不够，它的光合作用和各方面的生长就会受到影响。而基因OsDREB1C是一个氮高效基因，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费，不但增加农民的种植成本，还会造成环境污染。育种家致力于在育种上挖掘氮高效基因，实现“减氮不减产”，从而为减少农民种植成本，为实现“生态友好型”水稻高产提供保证。

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3、水稻如何实现早熟

水稻生殖生长期包括孕穗期、抽穗开花期和灌浆结实期。抽穗开花期是指稻穗从顶端剑叶茎鞘里抽出到开花齐穗这段时间，一般5-7天。水稻开花早晚受负责调节成花素的基因影响，成花素是相当于诱导开花的一种物质，其含量越高，抽穗与开花就越早。这次发现的基因OsDREB1C也是调节成花素的基因，能提高成花素的含量，使水稻表现出抽穗提早，生育期缩短，导致早熟，从而打破了“高产”与“早熟”的矛盾，让水稻实现既高产又早熟。

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水稻高产基因为何如此神通广大？

植物的性状是由很多基因相互作用形成的，一个性状就有一个基因阵容，像是一个系统的通路。而新发现的水稻高产基因OsDREB1C是一个转录因子，它就像是一个“分子开关”，在这个通路的最上面，下面有控制光合作用、氮素吸收利用以及开花等途径的很多基因，这个基因的表达量提高以后，通过基因调控的网络，把下游的光合作用基因、氮吸收高效利用基因以及影响抽穗期的基因都启动了，从而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。

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这么厉害的发现。该如何推广应用呢？

高产基因的发现是进行高产育种的前提条件，但基因OsDREB1C最后能不能在高产中应用，还需要克服很多困难。

育种，首先需要创制亲本材料。可以通过杂交的方式，把带有这个基因的水稻作为一个供体，与不同地区的主栽品种进行杂交。把OsDREB1C这个基因导入到不同的品种背景中，一方面可以验证它在不同品种背景中的增产效果，另一方面可以创制适应不同生态区的高产的材料。

或者通过基因编辑的方式来实现，如果基因编辑能够成功，可能离应用就是最近的。如果通过基因编辑把这个基因的表达量提高，哪怕是达到一半的效果，在育种方面产生的助力就非常可观了。

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水稻高产基因的发现打破了长期存在于农业生产中“高产”与“早熟”之间的矛盾；同时，在不同作物中也具有很大的应用前景，将为实现种业振兴提供支持，为保障国家粮食安全、保护环境做出贡献。

审核：徐建龙（中国农业科学院作物科学研究所二级研究员）

编辑：孙晨宇

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