2021年1月7日，中國科學院遺傳發育研究所 儲成才團隊發表題為「 Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice」研究論文， 這項研究成果揭示了氮素調控水稻分櫱發育過程的分子基礎，使得 在水稻生產中，使用更少的化肥，也能達到相同的產量成為可能。
全球糧食產量自上世紀60年代初起持續增加，據聯合國糧農組織統計，截至2018年末，以小麥、水稻、玉米計的全球糧食年總產量達26.6億噸，是1961年的3.6倍，為全球範圍糧食安全提供了基本保障.在全球耕地面積僅增加15.5%的條件下，糧食不斷增產的主要推動力是化肥的大量施用，其中絕大部分是氮肥。化肥在大幅度提升農作物產量的同時，增加了人們對它的依賴性，甚至過度重視。 2018年，全球化肥用量達2億噸，而我國年化肥用量超過全世界化肥總消耗量的33%，氮肥利用效率只有30%左右，不到西方發達國家的一半。化肥的過量施用，不僅對空氣、土壤和水體造成汙染，也給農業可持續發展帶來了巨大的環境壓力。 面對人口的爆炸式增長，長期以來育種的首要目標是高產，推動水稻第一次綠色革命的矮稈育種，使之能在大量施用化肥情況下，植株不會過高而造成倒伏，從而在高肥下獲得較高產量。然而，長期高肥下的育種導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。
為解決這一問題，中國科學院遺傳與發育生物學研究所儲成才研究組對過去100年間收集於全球不同地理區域52個國家（地區）的110份早期水稻農家種進行了全面的農藝性狀鑑定，發現不同氮肥條件下，在眾多農藝性狀中，水稻分櫱（分枝）氮響應能力與氮肥利用效率變異間存在高度關聯。研究組利用全基因組關聯分析技術鑑定到一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為轉錄因子調控水稻分櫱。
進一步研究發現， OsTCP19 上遊調控區一小段核酸片段（29-bp）的缺失與否是不同水稻品種分櫱氮響應差異的主要原因。氮高效品種 OsTCP19 調控區缺失該29-bp核酸序列，氮響應負調控因子LBD蛋白可以高效結合在該位點附近並抑制 OsTCP19 轉錄表達。通過多重轉錄組學分析， OsTCP19 作為轉錄因子抑制分櫱促進基因DLT的表達，進而實現對水稻分櫱發育的調控。這項研究成果揭示了氮素調控水稻分櫱發育過程的分子基礎。
這一關鍵氮高效基因的鑑定依賴於一個多樣性的「農家種」水稻群體資源。這些農家種是在現代高產水稻品種推廣之前，也就是氮肥大量施用之前，世界各地農家種植的本地品種。世界各地氣候土質的巨大差異造就了農家品種豐富的遺傳多樣性。研究人員通過對水稻種子庫中這些「古早」的水稻品種進行基因遺傳分析，最終定位了基因組上這一關鍵變異。 有意思的是，通過對世界水稻種植區土壤氮含量數據分析，研究團隊發現，土壤越貧瘠的地方， OsTCP19 氮高效變異越常見，並隨著土壤氮含量的增加，氮高效類型品種逐步減少，而我國現代水稻品種中這一氮高效變異幾乎全部丟失。 將這一氮高效變異重新引入現代水稻品種，在氮素減少的條件下，水稻氮肥利用效率可提高20-30%，也就是說，在水稻生產中，使用更少的化肥，也能達到相同產量。
除了氮肥施用所帶來的環境影響，氮肥生產本身也是高能耗、高汙染行業。統計表明，生產1噸氮肥需2.8噸優質煤及1600度電能，造成2.5 噸碳排放。我國爭取在2060年前實現碳中和，而農業領域的節能減排，特別是減少化肥的施用至關重要。 本項成果為實現這一宏偉目標提供了一個全新的思路。
劉永強博士和 汪鴻儒博士為論文的共同第一作者， 胡斌青年研究員和 儲成才研究員為共同通訊作者。論文得到中國科學院戰略性先導專項、國家自然科學基金、科技部G2P基礎研究項目和廣東省基礎研究重大專項的資助。
圖 a-d, OsTCP19-H 在低氮和中氮下可顯著提高水稻產量；a, OsTCP19-H 基因型頻率與土壤含氮量呈顯著負相關。亞洲不同水稻種植區域土壤含氮量和 OsTCP19 基因型頻率地理分布信息。藍色和紅色圖塊表示土壤總氮含量(g/kg)，黃色和綠色柱形圖表示 OsTCP19-L 和 OsTCP19-H 基因型頻率。6個虛線框分別表示japonica (n = 874)、indica I (n = 205)、indica II (n = 217)、indica III (n = 891)、aromatic (n = 81)和aus (n = 201)地理分布範圍。副圖表示土壤含氮量和OsTCP19-H頻率呈顯著負相關。OsTCP19-H頻率由1764份秈稻品種以國家為單位計算得到，土壤含氮量收集於相應國家的水稻種植區域。b，越光和含OsTCP19-H基因型近等基因系的田間表現。標尺為24 cm。c-d，越光和近等基因系在低氮和中氮大田條件下的產量和氮肥利用效率。不同字母表示顯著性差異(P < 0.05, one-way ANOVA, Tukey’s HSD test)。