端牢中國飯碗!我國科學家有了重要發現_風聞
科普中国-科普中国官方账号-中国科协科普工作官方微平台2022-10-18 20:27
“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週期,生長週期短,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,那麼,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?
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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,然後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。開花以後,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,最後儲存在籽粒裏面。
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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。
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水稻如何實現高產
對於植物而言,氮是不可缺少的,與光合作用具有密切關係,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。
如果土壤裏面的氮肥不夠,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,哪怕土壤裏面只有少量的氮,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。育種家致力於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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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裏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,成花素是相當於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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04
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後**,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啓動了,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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05
如何推廣應用?
高產基因的發現是進行高產育種的前提條件,但基因OsDREB1C最後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於農業生產中“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。
“一粥一飯當思來之不易”,今天是世界糧食日,讓我們一起感謝為我國糧食安全做出努力的科學家們,也要時刻記得,節約糧食,避免浪費。
出品|科普中國
作者|郭容羽 鈺青 北京科影藝林團隊
審核|徐建龍 中國農業科學院作物科學研究所二級研究員
監製|中國科普博覽
選送單位:中國科學院計算機信息網絡中心
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