端牢中国饭碗!我国科学家有了重要发现
"高产" 与"早熟" ,在传统的农业生产中是一组矛盾的词。
因为实现高产的前提条件是要有一定的生物量,而一定的生物量,必须要有一定的生长周期,生长周期短,生物量小。所以,一般条件下,高产和生育期呈负相关,生育期短、早熟的作物产量低,生育期长的作物产量高。
而2022年7月,中国科学家发表在国际学术期刊《科学》上的研究中发现的水稻高产基因OsDREB1C打破了这个矛盾 ,那么,基因OsDREB1C为何可以打破农业生产"高产不早熟,早熟不高产"的传统,让水稻实现既高产又早熟呢?
01
水稻产量影响因素
要想揭开基因OsDREB1C让水稻实现高产的秘密,我们不妨先了解水稻产量的影响因素。
水稻产量的物质来源主要是光合产物,其通过叶片中的叶绿素吸收光能,把二氧化碳和水合成有机物,然后输送给植物的其他部位 。在植物生长前期的营养生长阶段,光合产物主要是提供植物生长所需要的蛋白质与能量。开花以后,植物进入了生殖生长阶段,叶片中合成的光合产物,以及储存在茎秆中的光合产物向籽粒运输。
所以,产量的形成离不开光合作用合成的有机物,它通过一系列的运输,最后储存在籽粒里面。
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农作物产量,涉及到这些影响光合产物合成、运输到分配、储存各个环节的各种因素。因此,影响到这些过程中的各种因素都可能会让产量发生变化。而新发现的水稻高产基因OsDREB1C可以影响光合产物合成等因素,表现为提高光合作用效率和氮素利用效率 ,显著提高水稻产量。
02
水稻如何实现高产
对于植物而言,氮是不可缺少的,与光合作用具有密切关系,会影响光合作用的效率。同时,氮是构成蛋白质的主要成分,对茎叶的生长等有重要作用。
如果土壤里面的氮肥不够,或者是植物吸收的氮不够,它的光合作用和各方面的生长就会受到影响。而基因OsDREB1C是一个氮高效基因 ,哪怕土壤里面只有少量的氮,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费,不但增加农民的种植成本,还会造成环境污染。育种家致力于在育种上挖掘氮高效基因,实现"减氮不减产",从而为减少农民种植成本,为实现"生态友好型"水稻高产提供保证。
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03
水稻如何实现早熟
水稻生殖生长期包括孕穗期、抽穗开花期和灌浆结实期。
抽穗开花期是指稻穗从顶端剑叶茎鞘里抽出到开花齐穗这段时间,一般5-7天。水稻开花早晚受负责调节成花素的基因影响 ,成花素是相当于诱导开花的一种物质,其含量越高,抽穗与开花就越早。这次发现的基因OsDREB1C也是调节成花素的基因,能提高成花素的含量 ,使水稻表现出抽穗提早,生育期缩短,导致早熟,从而打破了"高产"与"早熟"的矛盾,让水稻实现既高产又早熟。
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04
水稻高产基因为何如此神通广大?
植物的性状是由很多基因相互作用形成的,一个性状就有一个基因阵容,像是一个系统的通路。
而新发现的水稻高产基因OsDREB1C是一个转录因子 ,它就像是一个"分子开关",在这个通路的最上面,下面有控制光合作用、氮素吸收利用以及开花等途径的很多基因,这个基因的表达量提高以后,通过基因调控的网络 ,把下游的光合作用基因、氮吸收高效利用基因以及影响抽穗期的基因都启动了,从而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期。
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05
如何推广应用?
高产基因的发现是进行高产育种的前提条件,但基因OsDREB1C最后能不能在高产中应用,还需要克服很多困难。
育种,首先需要创制亲本材料。可以通过杂交的方式,把带有这个基因的水稻作为一个供体,与不同地区的主栽品种进行杂交 。把OsDREB1C这个基因导入到不同的品种背景中,一方面可以验证它在不同品种背景中的增产效果,另一方面可以创制适应不同生态区的高产的材料。
或者通过基因编辑的方式来实现,如果基因编辑能够成功,可能离应用就是最近的。如果通过基因编辑把这个基因的表达量提高,哪怕是达到一半的效果,在育种方面产生的助力就非常可观了。
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水稻高产基因的发现打破了长期存在于农业生产中"高产"与"早熟"之间的矛盾。同时,在不同作物中也具有很大的应用前景,将为实现种业振兴提供支持,为保障国家粮食安全、保护环境做出贡献。
"一粥一饭当思来之不易",今天是世界粮食日 ,让我们一起感谢为我国粮食安全做出努力的科学家们,也要时刻记得,节约粮食,避免浪费 。
出品|科普中国
作者|郭容羽 钰青 北京科影艺林团队
审核|徐建龙 中国农业科学院作物科学研究所二级研究员
监制|中国科普博览
选送单位:中国科学院计算机信息网络中心
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