Science I 手中有粮，心中不慌！中国农业科学院作科所周文彬团队突破当下产量限制，最高增产68%！

当你享受美食时，是否会想起到全球仍有8亿人正在遭受饥饿与粮食短缺？预计2050年，全球作物产量需增加50%-70%才能养活100亿地球人！水稻、小麦和玉米作为全球主要粮食作物，在增产、稳产方面被给予厚望，除了应对极端气候变化和病虫害侵袭，如何突破自我，超越产量极限仍是科学家们心中的牵挂！

今日凌晨，伴随着冉冉升起的太阳，中国农业科学院作科所周文彬团队在全球顶级期刊Science杂志发表了作物增产的希望！该研究团队发现过表达转录因子Dehydration-Responsive Element-Binding Protein 1C (OsDREB1C)可以通过提高光合效率与氮利用效率，最高提高水稻产量68.3%，也可以提高小麦产量约20%，同时缩短生育期。

让我们一起走进这项坚持不懈，突破极限的研究。

为了研究光合作用与氮利用如何协同调控作物产量，作者对低氮与高氮条件下的水稻进行了RNA-seq分析，结合光合作用表达谱分析，发现多个受氮诱导表达的转录因子，但其中仅有一个（OsDREB1C）同时受到光调控。为了详细分析该基因的功能，作者构建一系列过表达和敲除突变体，惊喜的发现过表达材料增加单株和小区产量超过40%，且敲除系产量下降约20%，详细的表型分析发现，产量增加来源于每穗粒数和千粒重的增加，同时减少了秸秆重量，提高了收获指数（谷物产量与地上部生物量的比值），表明OsDREB1C可以调控营养组织与生殖组织之间的营养分配，在不降低品质的前提下提高产量（图1），作者又通过多年多点的田间试验表明OsDREB1C的增产能力在不同环境中都是稳定的。

为什么OsDREB1C可以提高产量呢？作者通过水培系统发现OsDREB1C过表达（OsDREB1C-OE）株系在苗期就生长的很快，根更长，但在黑暗条件下，OsDREB1C-OE与野生型和敲除系并没有显著差异，表明这种产量增加可能还与光诱导有关。于是作者通过分析叶肉细胞发现OE材料中叶绿体的数量和大小都有所增加，光合系统相关蛋白积累也显著提高（图2），光合速率和气孔导度分析结果显示OsDREB1C-OE提高了光合效率，保持气孔开放并在叶片中积累了更多的营养物质，表明OsDREB1C-OE植株产量增加有部分原因是光合能力增强导致的。

但仅仅依靠光合作用还不足以产生如何惊人的产量，作者进一步研究发现OsDREB1C-OE增加了根系对氮素的吸收与地上部转运，植株地上部器官含氮量升高，更厉害的是，OsDREB1C-OE植株在高氮条件下改善光合效率，在低氮条件下提高水分利用效率，提高氮利用，真是“穷则独善其身，达则兼济天下”！世界人民的饭碗因你更加丰满！

都说鱼和熊掌不可兼得，产量增加了这么多，其他表型会不会有什么缺陷？作者在多个试验田长期表型鉴定发现，OsDREB1C-OE植株没有明显的生长缺陷，竟然还出现了早花表型！作者研究发现OsDREB1C是通过控制Hd3a（OsFTL2)、RFT1(OsFTL3)）等开花调节因子来影响开花时间，这下鱼和熊掌都得着了。毕竟这是在日本晴背景下做的过表达，能不能利用在实际生产中，还要看在不同背景下能不能产生增产效果。于是作者在我国南方推广品种秀水134中过表达了OsDREB1C，发现与日本晴一样，秀水过表达株系在穗数，每穗粒数和籽粒产量上都显著提高。

接下来，作者想更深入的了解OsDREB1C的分子功能，生信分析发现OsDREB1C的同源基因都具有一个保守的AP2结构域，并且OsDREB1C蛋白可能与已经被确定为干旱、盐胁迫与低温胁迫相关的DRE/CRT（GCCGAC）基序结合。酵母单杂、以及GUS染色等实验表明OsDREB1C可以用作为转录因子发挥作用，于是作者通过CHIP-seq寻找全基因组上OsDREB1C的结合位点，发现有345个基因可能是其靶位点，这些基因大多数与跨膜转运和氮利用相关，且生育期相关基因也在其中（图4）。作者也从中挑选了5个候选基因进行验证，发现OsDREB1C的启动子可以与其中4个候选基因结合。未来可以通过这些靶位点的调节进一步提高作物产量。

该基因在水稻中的增产效果如此惊人，那么能否帮助其他作物增产呢？作者将OsDREB1C在小麦和拟南芥中过表达发现，过表达小麦的光合作用也提高了，开花时间也缩短了，田间产量平均提高20%左右，拟南芥也是类似的表型。表明OsDREB1C的功能在不同的作物中是保守的。

该研究提振了世界粮食增产的信心，为世界粮食增产提供了普适性的策略！全球多位院士、业界大牛为该研究点赞。专家点评Science | 我国科学家发现水稻高产基因

ACKNOWLEDGMENTS

中国农业科学院作科所魏少博、李霞为论文共同一作，该研究得到了国家重点研究发展计划(2016YFD0300100和2016YFD0300102)，中国农业科学院创新计划和中国农业科学院青年精英计划的支持。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8455

转自：植物科学SCI

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