“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(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重大問題。” 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員傅向東在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

2月7日，《科學(xué)》雜志以封面文章的形式，發(fā)表傅向東團(tuán)隊(duì)關(guān)于赤霉素和氮素協(xié)同調(diào)控植物生長發(fā)育新機(jī)制的研究成果。該成果將為“少投入、多產(chǎn)出”的綠色高產(chǎn)高效農(nóng)作物新品種培育提供一種新的育種策略，這預(yù)示著一場(chǎng)新的“綠色**”即將到來。

突破“綠色**”瓶頸

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

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

赤霉素合成途徑受阻，實(shí)現(xiàn)了植株半矮化、抗倒伏的高產(chǎn)目標(biāo)。

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

持續(xù)大量的氮肥投入不僅增加了種植成本，還導(dǎo)致了日益嚴(yán)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(tuán)隊(duì)以水稻分蘗對(duì)氮素的響應(yīng)為切入點(diǎn)，找到了赤霉素和氮素協(xié)同調(diào)控水稻生長發(fā)育的關(guān)鍵基因NGR5，并闡明了NGR5通過表觀遺傳調(diào)控水稻分蘗數(shù)等農(nóng)藝性狀氮素響應(yīng)的分子機(jī)制。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前主栽品種中，提高NGR5表達(dá)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(chǎn)特性，使水稻在減施氮肥條件下獲得更高的產(chǎn)量，為培育高產(chǎn)且高效的“綠色**”新品種奠定基礎(chǔ)。

傅向東介紹，研究成果很大的突破點(diǎn)是，NGR5不僅是植物響應(yīng)氮素的正調(diào)控因子，還是赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)途徑中一個(gè)新的重要蛋白。赤霉素通過促進(jìn)NGR5蛋白降解，導(dǎo)致全基因組甲基化修飾降低，進(jìn)而促進(jìn)靶基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)赤霉素調(diào)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(gè)優(yōu)異等位基因聚合在一起，提供一個(gè)能夠明顯減少氮肥投入，又增加產(chǎn)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(bǔ)上，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效協(xié)同改良的育種目標(biāo)。”傅向東說。

增產(chǎn)與減施的“雙贏”

“通過分子設(shè)計(jì)育種手段，培育高產(chǎn)和氮肥高效利用協(xié)同改良的作物新品種，對(duì)保障糧食**和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。”傅向東正在與中科院合肥物質(zhì)研究院、牛津大學(xué)等多家單位合作，聚合多個(gè)優(yōu)異等位基因，培育“少投入、多產(chǎn)出”的綠色高產(chǎn)高效新品種。

然而，植物氮素代謝及信號(hào)傳導(dǎo)分子機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)量和氮肥利用效率協(xié)同改良方面具有育種應(yīng)用價(jià)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(shí)實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量的持續(xù)提升，仍然任重而道遠(yuǎn)。

傅向東介紹，團(tuán)隊(duì)未來的研究方向有三個(gè)方面。一是綜合利用各種組學(xué)手段，并結(jié)合計(jì)算生物學(xué)、合成生物學(xué)、人工智能等新興技術(shù)，系統(tǒng)解析氮代謝、碳代謝和植物生長發(fā)???協(xié)同調(diào)控機(jī)制。

二是，充分利用野生資源、農(nóng)家種、主栽品種等種質(zhì)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(guān)鍵基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘優(yōu)異等位基因或者利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制新的等位變異，獲得能協(xié)同提高作物產(chǎn)量和氮肥高效利用的分子模塊。

三是，利用時(shí)空特異啟動(dòng)子對(duì)關(guān)鍵基因進(jìn)行表達(dá)模式改造，通過多基因聚合技術(shù)導(dǎo)入當(dāng)前主栽品種中，以培育 “少投入、多產(chǎn)出”綠色高產(chǎn)高效農(nóng)作物新品種。