中國科學家發現培育綠色高產水稻新品種關鍵基因

2020-12-03 中國新聞網

DELLA蛋白的積累導致了「綠色革命」，實現水稻植株半矮化和抗倒伏的高產目標，NGR5蛋白高水平積累並不改變半矮化的優良性狀，但能增加水稻分櫱數，在減少氮肥施用量的條件下能進一步提高產量。　中科院遺傳發育所/供圖

中新網北京2月7日電 (記者 孫自法)記者7日從中國科學院遺傳與發育生物學研究所(中科院遺傳發育所)獲悉，該所傅向東研究員帶領的科研團隊歷時8年協作與攻關，研究發現並從現有水稻品種中獲得關鍵基因NGR5，有望培育出「少投入、多產出」的綠色高產水稻新品種，既為綠色高產高效農作物分子設計育種奠定理論基礎，也提供出具有育種利用價值的基因資源。

中國科學家團隊「關於赤黴素信號傳導新機制調控水稻氮肥高效利用的最新研究進展」這一重要研究成果論文，北京時間7日凌晨獲國際權威學術期刊《科學》雜誌以研究長文(Research Article)形式發表，並被《科學》雜誌選為本期封面文章(Cover Story)進行重點推薦。該項成果深化對赤黴素信號傳導和植物氮素響應之間複雜的相互作用機制的理解，找到一條在保證糧食產量不斷提高的同時，提高水稻氮肥利用效率，降低化肥投入，減少環境汙染的育種新策略，有助於培育「少投入、多產出」作物新品種，從而實現可持續的糧食安全。

GA-GID1-NGR5赤黴素信號傳導新機制的發現從分子水平揭示了「綠色革命」矮稈品種在高肥條件下高產的分子機制。　中科院遺傳發育所/供圖

中科院遺傳發育所介紹，水稻是中國最重要的糧食作物之一，對保障國家糧食安全和社會穩定起到非常重要的作用。氮肥是農業生產中需要量最大的化肥品種，它對提高作物產量、改善農產品質量有重要作用。不過，如何從育種源頭上提高農作物自身的氮肥利用效率，既保留以矮化育種為特徵的「綠色革命」品種的高產特性，又能減少氮肥施用量，達到「少投入、多產出」目標，已成為當前中國農業可持續發展亟待解決的重大問題。

傅向東研究團隊利用化學誘變和遺傳篩選，從攜帶「綠色革命」基因的水稻品種9311中篩選到一個產量性狀對氮素響應不敏感的突變體，通過圖位克隆方法獲得了氮肥高效利用的關鍵基因NGR5。研究表明NGR5是水稻生長發育(包括株高、分櫱和每穗粒數等重要農藝性狀)響應氮素的正調控因子，同時NGR5的基因表達水平和蛋白積累量隨施肥量的增加而增加。在當前主栽高產品種中，提高NGR5表達量不僅提高水稻氮肥利用效率，同時還可保持其優良的半矮化和高產特性，最終導致水稻在適當減少施氮肥條件下獲得更高的產量。研究團隊還發現一個新型的優異等位基因NGR5(hap.2)，其表達量對氮素改變的響應更加敏感，將這個優異等位變異位點導入當前高產品種後，有望培育出「少投入、多產出」的綠色高產水稻新品種。

進一步的研究發現，NGR5是赤黴素信號傳導途徑的一個新的關鍵元件，它能與赤黴素受體GID1蛋白互作。NGR5還能與一種被稱作多梳抑制複合物2(PRC2)的蛋白複合物互作，通過介導H3K27me3甲基化修飾水平調節靶基因的表達，進而調控水稻分櫱等農藝性狀及其對氮素的響應。赤黴素通過促進NGR5蛋白降解，導致表觀遺傳修飾降低，進而增強靶基因的轉錄激活活性，實現赤黴素促進植物分枝生長發育。這一赤黴素信號傳導新機制的發現，不僅豐富了科學家對於赤黴素作用機理的認識，而且從分子水平揭示了「綠色革命」矮稈品種在高肥條件下增產的原因。

傅向東研究團隊表示，這次研究還發現NGR5與DELLA蛋白互作的機制，DELLA蛋白能競爭性結合赤黴素受體GID1蛋白，抑制赤黴素介導的NGR5蛋白降解，進而增加NGR5蛋白穩定性。DELLA蛋白積累導致第一次「綠色革命」，實現植株半矮化、耐高肥和抗倒伏的高產目標，但也伴隨著氮肥利用效率的降低。相反，NGR5蛋白的高水平積累並不改變「綠色革命」的半矮化優良性狀，但能增加水稻分櫱數，從而實現在減少氮肥投入的條件下進一步提高現有主栽品種產量和氮肥利用效率。該研究成果為「少投入、多產出、保護環境」的綠色高產高效農作物分子設計育種奠定了理論基礎，並提供具有育種利用價值的基因資源。(完)

相關焦點

  • 新發現助力「綠色革命」水稻新品種高產且高效—新聞—科學網
    該成果有助於我們進一步深入理解赤黴素信號傳導途徑調控水稻氮肥高效利用的分子機制，為「少投入、多產出」的綠色高產高效農作物新品種培育提供了一種新的育種策略，這預示著一場新的「綠色革命」即將到來。 自20世紀60年代以來，以半矮稈小麥和水稻新品種培育為標誌的「綠色革命」帶來了全球糧食產量的大幅增長，解決了全世界範圍內人口快速增長引發的糧食危機。40多年後，植物分子生物學和基因組學的發展揭開了「綠色革命」的本質歸於植物激素——赤黴素的生物學效應。
  • 袁隆平水稻新品種為何早熟又高產?科學家挖掘出一個重要基因
    水稻如何能既早熟又高產？我國多個科研團隊合作發現，一個名為Ef-cd的基因可將水稻成熟期提早7天至20天，不造成產量損失甚至具有不同程度的增產效果。挖掘和利用該基因，將有力促進綠色超級稻品種培育的減肥增效需求。該研究成果8月27日在線發表於知名學術期刊《美國科學院院刊》。
  • 中科院選育出「高產又好吃」水稻新品種
    新華社合肥1月19日電（記者徐海濤）記者從中科院合肥物質科學研究院獲悉，該院技術生物與農業工程研究所和中科院遺傳與發育生物學研究所通過近5年合作，利用分子設計育種技術，將水稻高產與優質控制基因「組裝」，選育出「高產又好吃」的水稻新品種「科輻粳9號」。
  • 高產抗病雜交水稻找到基因「門牌號」
    原標題：高產抗病雜交水稻找到基因「門牌號」 　　科技日報訊 （記者張曄 通訊員許天穎 陳潔）1月9日，2014年國家科技進步獎獲獎名單揭曉，南京農業大學萬建民教授團隊研究項目「水稻秈粳雜種優勢利用相關基因挖掘與新品種培育」，通過20年的系統研究，發掘出水稻廣親和、早熟和顯性矮稈基因，開發相應分子標記和育種技術，成功培育秈粳交高產水稻新品種
  • 南陽市農科院水稻新品種通過省審——「宛粳68D」 高產又好吃
    這是一種高產又好吃的水稻新品種。事實上，在水稻育種領域，「高產」與「好吃」幾乎是個悖論。如何選育出口感好、品質優、產量高的水稻品種？市農科院研究員、河南省現代產業技術體系南陽水稻綜合試驗站站長郭俊紅帶領的科研創新團隊十多年前就開始科研攻關之旅。
  • 分子設計圓了「超級水稻」夢
    一場水稻育種領域的新「綠色革命」正拉開帷幕。　　兩次綠色革命「搭臺唱戲」　　繼「水稻高稈變矮稈」「中國雜交水稻」後，「超級水稻」躍躍欲試　　回溯水稻育種史，每一次重大突破無不與某個關鍵基因的發現與大規模應用有關。　　20世紀初以來，小麥、水稻等作物的高稈品種倒伏現象越發嚴重，成為限制農作物高產穩產的主要因素。
  • 研究揭示水稻理想株型基因IPA1高產抗病的分子機理
    水稻株型是決定水稻產量的主要因素之一，塑造水稻理想株型是提高水稻產量的重要途徑。IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是此前克隆的調控水稻理想株型形成的主效基因，編碼一個含有SBP-box結構域的轉錄因子，調控多個生長發育過程，其功能獲得性突變體具有無效分櫱少、莖稈粗壯抗倒伏、穗大粒多產量高等優異農藝性狀（Jiao et al.， Nat Genet， 2010），該基因已應用於培育「嘉優中科」系列水稻新品種。
  • 高產優質水稻品種設計育種研究獲進展
    水稻是重要的糧食作物，是我國60％以上人口的主糧。在糧食危機和人們生活水平日益增長的雙重壓力下，育種學家和稻米種業長期以來致力於培育「高產優質」型超級水稻新品種，但是傳統育種進展緩慢。隨著水稻功能基因組的發展，「品種設計育種」應運而生，其重要內容之一是將重要農藝性狀關鍵基因的優異等位形式高效聚合，形成超級新品種。然而，品種設計育種實施中最優化育種策略的設計面臨挑戰，尤其對於高產優質複雜性狀綜合改良，迄今還沒有實現從概念到產品的報導。
  • 高產之後,讓雜交水稻更優質
    可培育一個優良品種往往需要大批科研人員十幾年、甚至數十年的艱辛付出。比如「晶兩優」品種成功問世，就花了我們團隊整整15年心血。雜交水稻的成功培育和推廣，對解決我國的溫飽問題貢獻很大。但由於雜交水稻的遺傳特點，一度品質不是很好。怎麼才能讓雜交水稻高產又優質，成了我們的攻關目標。十幾年前的一個春節，一位好友送給我一袋別國產的香米，吃起來柔軟無渣，清香微甜，非常可口。
  • 分子設計圓了「超級水稻」夢 - 媒體報導---2017年度國家科技獎勵...
    一場水稻育種領域的新「綠色革命」正拉開帷幕。　　兩次綠色革命「搭臺唱戲」　　繼「水稻高稈變矮稈」「中國雜交水稻」後，「超級水稻」躍躍欲試　　回溯水稻育種史，每一次重大突破無不與某個關鍵基因的發現與大規模應用有關。　　20世紀初以來，小麥、水稻等作物的高稈品種倒伏現象越發嚴重，成為限制農作物高產穩產的主要因素。
  • 揭開水稻「智慧」基因的奧秘,川農首次登上頂級《科學》期刊
    一個有「智慧」的基因 對水稻產量和安全意義重大水稻是我國的主要糧食作物，其安全生產關係國計民生。培育既抗病又高產的品種是糧食綠色安全生產的重要保障。但通常認為產量與抗性是兩個拮抗的過程，存在此消彼長的關係，當植物受到病原菌侵害時，會消耗營養用來抗病，使得發育受阻。
  • 中國科學家成功鑑定水稻氮高效基因 助力農業綠色發展
    研究團隊利用全基因組關聯分析結合多重組學技術鑑定到一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為關鍵調控因子調控水稻分櫱。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。儲成才研究員指出，最新鑑定的氮高效基因其氮高效類型OsTCP19-H在起源於貧瘠土壤的品種中富集，而現代栽培種大多丟失。
  • 水稻的發展史,你了解多少?
    ► 早在1998年，為解決作物生產和環境資源之間日益突出的矛盾，李振聲先生倡導農業科研領域的主要目標之一要為「第二次綠色革命」準備基因資源。　　► 2001年，農業部重大專項「參與全球水稻分子育種計劃研究」正式啟動，希望利用各水稻主產國的豐富的品種資源，與當地優良的推廣品種大規模雜交，結合分子標記技術，培育出大量的優異品種。
  • 【新華網】科學家找到一個關鍵基因 或可幫助水稻實現「低肥高產...
    【新華網】科學家找到一個關鍵基因 或可幫助水稻實現「低肥高產」 2021-01-08 新華網 董瑞豐 【字體：大 中 小】
  • 科學家發現增加水稻分櫱數和產量的重要基因—新聞—科學網
    水稻所供圖 上世紀50-60年代，育種學家利用「矮化基因」改良水稻、小麥等作物株型，培育高產品種，被稱為「綠色革命」。雖然「綠色革命」帶來了高產的株型，但是這種複雜且決定產量的性狀究竟由什麼因素決定，科學家並不清楚。
  • 科學家找到一個關鍵基因 或可幫助水稻實現「低肥高產」
    新華社北京1月7日電（記者董瑞豐）我國科學家最新研究發現，一個名為OsTCP19的基因在減氮情況下可以提高水稻氮肥利用效率20%至30%，或將幫助改良水稻品種，實現少施肥、高產量的目標。該成果北京時間7日由國際知名學術刊物《自然》發布。
  • 上海生科院水稻半矮稈性狀與抗倒伏育種研究獲進展
    ，該基因在培育水稻半矮稈性狀，提高抗倒伏能力，增加大面積水稻產量方面顯示了重要的應用價值。　　倒伏是水稻高產穩產的主要限制因素之一。自20世紀60年代以來，以作物矮化育種為標誌的「綠色革命」主要是利用赤黴素合成基因SD1的突變體，培育半矮稈性狀，提高作物（水稻）的抗倒伏能力，使水稻產量得到了大面積的顯著增加。相關研究雖已在水稻中發現了超過60個基因可以導致半矮稈性狀，但這些基因除影響莖稈長度外還影響其它農藝性狀，難以應用於培育抗倒伏品種。
  • 克隆出首個水稻抗條紋葉枯病基因
    原標題：克隆出首個水稻抗條紋葉枯病基因 中國農業科學院作物科學研究所研究員萬建民團隊成功克隆了第一個水稻抗條紋葉枯病基因STV11，並闡述了該基因的功能。該研究為通過分子手段培育抗病蟲水稻品種提供了有效的基因資源，為水稻抗稻飛蝨及其傳播病毒病機制的闡明奠定了基礎，相關研究近日在線發表於《自然—通訊》。
  • 第三代雜交水稻,不僅僅是高產
    □ 第三代雜交水稻單位面積產量創紀錄，是生產力提高的主要衡量標誌，真正落實了藏糧於「技」，也讓藏糧於「地」戰略具有現實意義。 □ 雖然我國雜交水稻單產屢創新高，水稻單產水平比世界平均水平高,但仍比澳大利亞、美國、西班牙、日本、韓國等國水稻單產水平低，還有很大的提升空間。
  • 中國水稻遺傳育種歷程與展望
    我國的水稻育種經歷了矮化育種、雜種優勢利用和綠色超級稻培育3次飛躍，其間伴隨矮化育種(第一次綠色革命)、三系雜交稻培育、二系雜交稻培育、亞種間雜種優勢利用、理想株型育種和綠色超級稻培育等6個重要歷程。育種目標從唯產量是舉到高抗、優質和高產並重，育種理念從高產優質逐步提升為「少投入，多產出，保護環境」。