Science | 激动人心！周文彬团队通过过表达一个基因，水稻田间可最高增产68%

人口的快速增长、肉类消费量的增加以及非食用和非饲料用途的作物使用范围扩大，都增加了全球粮食生产的压力。 同时，过度使用氮肥以提高农业产量对人类健康和环境都构成严重威胁。 为了实现所需的产量增加和使农业更具可持续性，需要加强育种和基因工程的努力，以获得具有更高光合能力和更高氮利用效率 (NUE) 的新作物品种。 然而，进展缓慢，主要是由于对可能协调优化碳同化和氮利用的调节基因的了解有限。

2022年7月22日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬团队在Science 在线发表题为“A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice”的研究论文，该研究通过筛选水稻中候选的光合作用相关转录因子，鉴定了一个 DREB（脱水响应元件结合）家族成员 OsDREB1C，其表达受光照和低氮状态诱导。

该研究表明，OsDREB1C 驱动功能多样的转录程序，决定光合能力、氮利用和开花时间。 用过表达 OsDREB1C 的水稻进行的田间试验表明，产量增加了 41.3% 至 68.3%，此外，还缩短了生育期，提高了氮的利用效率，促进了资源的有效分配，从而为实现急需的农业生产力提高提供了策略。

在全球范围内，超过 8 亿人正遭受饥饿和粮食不安全的折磨。到 2050 年，尽管地球上可耕地减少，作物产量仍需增加 50% 至 70%，才能养活近 100 亿人。应对这一挑战可能需要开发新的育种和基因工程策略，以优化光合能力以及水和养分利用效率。生长和作物产量取决于碳和氮的同化以及光合产物从营养源器官到库组织的转运。例如，氮的吸收和运输必须与碳固定和光合作用产生的碳水化合物相协调。因此，研究工作一直致力于确定控制碳同化和氮利用之间协调的转录调节因子。

OsDREB1C 在转基因植物中的过表达提高了谷物产量（图源自Science ）作为生物过程的调节剂，转录因子通过与靶基因的启动子（或基因内区域）结合来控制植物的代谢、生长和发育。植物结构中转录因子的一个例子是玉米的 TB1（Teosinte Branched 1），它限制了分枝的生长并启动了雌性花序的形成。转录因子 IPA1（理想植物结构 1）通过减少非生产性分蘖和增加每穗粒数来提高水稻产量。升高的 IPA1 水平也增强了病原体的免疫力。另一种转录因子 HYR（高产水稻）可增强光合作用基因的表达，并可在多种胁迫条件下提高水稻产量。水稻转录因子 GRF4（生长调节因子 4）协调氮同化、碳固定和生长。通常，转录因子的结合基序和功能在单子叶植物和双子叶植物中是保守的。以前的工作旨在通过对玉米和水稻叶片转录组和代谢组的比较分析，确定调节光合作用以及氮和碳代谢的关键转录因子。一组 118 个转录因子被认为是光合作用的候选调节因子，尤其是与 C4 光合作用相关的有利特性。在这里，该研究筛选了这些转录因子对水稻光和氮供应的反应。

OsDREB1C 过表达导致提早开花并缩短整体生长期（图源自Science ）该研究报告了来自 DREB（脱水响应元件结合）家族的转录因子 OsDREB1C 的鉴定，它调节光合作用和氮利用。 OsDREB1C 的过表达不仅提高了水稻产量，而且由于更高的光合作用速率、提高的氮利用率和提早开花，还使谷物提早成熟。 OsDREB1C 的多功能功能可能是由作用于层次结构顶部附近并协同靶向多个基因和途径的转录因子赋予的。识别这些基因座中存在的保守脱水响应元件 (DRE)/C 重复 (CRT) 基序有助于微调碳同化、氮利用、资源分配和诱导开花的复杂网络。总之，该研究结果揭示了 OsDREB1C 作为一种转录调节因子，可促进碳和氮代谢中关键基因的表达并控制作物的开花途径，从而为未来的作物改良策略提供目标。

转自： iNature

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