“中國三大主要糧食作物的化肥利用率只有39.2%，絕大部分釋放到土地和空氣中，造成環(huán)境污染。如何‘**增效’是當前農業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重大問題。” 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員傅向東在接受《中國科學報》采訪時說。

2月7日，《科學》雜志以封面文章的形式，發(fā)表傅向東團隊關于赤霉素和氮素協(xié)同調控植物生長發(fā)育新機制的研究成果。該成果將為“少投入、多產出”的綠色高產高效農作物新品種培育提供一種新的育種策略，這預示著一場新的“綠色**”即將到來。

突破“綠色**”瓶頸

上世紀60年代以來，以半矮稈小麥和水稻新品種培育為標志的“綠色**”帶來了全球糧食產量大幅增長，解決了世界范圍內人口快速增長引發(fā)的糧食危機。

40多年后，植物分子生物學和基因組學的發(fā)展，揭開了“綠色**”的本質——植物**赤霉素的生物學效應。

赤霉素合成途徑受阻，實現(xiàn)了植株半矮化、抗倒伏的高產目標。

傅向東告訴《中國科學報》：“然而，此類品種卻對氮肥不敏感，需要施用更多的氮肥才能獲得高產。”

持續(xù)大量的氮肥投入不僅增加了種植成本，還導致了日益嚴重的環(huán)境污染。

如何突破“綠色**”的瓶頸，成了傅向東心中一根緊繃的弦。

新基因啟發(fā)育種新途徑

傅向東介紹，團隊以水稻分蘗對氮素的響應為切入點，找到了赤霉素和氮素協(xié)同調控水稻生長發(fā)育的關鍵基因NGR5，并闡明了NGR5通過表觀遺傳調控水稻分蘗數(shù)等農藝性狀氮素響應的分子機制。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，在當前主栽品種中，提高NGR5表達量，不僅能提高氮肥利用效率，而且能保持優(yōu)良的半矮化和高產特性，使水稻在減施氮肥條件下獲得更高的產量，為培育高產且高效的“綠色**”新品種奠定基礎。

傅向東介紹，研究成果很大的突破點是，NGR5不僅是植物響應氮素的正調控因子，還是赤霉素信號傳導途徑中一個新的重要蛋白。赤霉素通過促進NGR5蛋白降解，導致全基因組甲基化修飾降低，進而促進靶基因表達，實現(xiàn)赤霉素調控植物生長發(fā)育。

此外，發(fā)現(xiàn)新的基因后，就可以把多個優(yōu)異等位基因聚合在一起，提供一個能夠明顯減少氮肥投入，又增加產量的新育種策略。“將來可以培育出新的品種，把60年前的矮化育種缺陷彌補上，實現(xiàn)高產高效協(xié)同改良的育種目標。”傅向東說。

增產與減施的“雙贏”

“通過分子設計育種手段，培育高產和氮肥高效利用協(xié)同改良的作物新品種，對保障糧食**和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要。”傅向東正在與中科院合肥物質研究院、牛津大學等多家單位合作，聚合多個優(yōu)異等位基因，培育“少投入、多產出”的綠色高產高效新品種。

然而，植物氮素代謝及信號傳導分子機制和調控網(wǎng)絡的研究，絕大多數(shù)仍集中在模式植物擬南芥中；在眾多已克隆和鑒定的基因中，在作物產量和氮肥利用效率協(xié)同改良方面具有育種應用價值的基因資源還非常有限。因此，如何在減少氮肥施用的同時實現(xiàn)作物產量的持續(xù)提升，仍然任重而道遠。

傅向東介紹，團隊未來的研究方向有三個方面。一是綜合利用各種組學手段，并結合計算生物學、合成生物學、人工智能等新興技術，系統(tǒng)解析氮代謝、碳代謝和植物生長發(fā)???協(xié)同調控機制。

二是，充分利用野生資源、農家種、主栽品種等種質材料，通過GWAS分析、QTL定位和圖位克隆等方法，系統(tǒng)解析控制氮肥高效利用的關鍵基因及其調控網(wǎng)絡，挖掘優(yōu)異等位基因或者利用基因編輯技術創(chuàng)制新的等位變異，獲得能協(xié)同提高作物產量和氮肥高效利用的分子模塊。

三是，利用時空特異啟動子對關鍵基因進行表達模式改造，通過多基因聚合技術導入當前主栽品種中，以培育 “少投入、多產出”綠色高產高效農作物新品種。