面对人口的爆炸式增长，长期以来育种的首要目标是高产，推动水稻第一次绿色革命的矮秆育种，使之能在大量施用化肥情况下，植株不会过高而造成倒伏，从而在高肥下获得较高产量。然而，长期高肥下的育种导致一些重要基因资源的丢失，以致主栽水稻品种肥料利用效率普遍较低。
为解决这一问题，中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组对过去100年间收集于全球不同地理区域52个国家（地区）的110份早期水稻农家种进行了全面的农艺性状鉴定，发现不同氮肥条件下，在众多农艺性状中，水稻分蘖（分枝）氮响应能力与氮肥利用效率变异间存在高度关联。研究组利用全基因组关联分析技术鉴定到一个水稻氮高效基因OsTCP19，其作为转录因子调控水稻分蘖。
进一步研究发现，OsTCP19上游调控区一小段核酸片段（29-bp）的缺失与否是不同水稻品种分蘖氮响应差异的主要原因。氮高效品种OsTCP19调控区缺失该29-bp核酸序列，氮响应负调控因子LBD蛋白可以高效结合在该位点附近并抑制OsTCP19转录表达。通过多重转录组学分析，OsTCP19作为转录因子抑制分蘖促进基因DLT的表达，进而实现对水稻分蘖发育的调控。这项研究成果揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础。
这一关键氮高效基因的鉴定依赖于一个多样性的“农家种”水稻群体资源。这些农家种是在现代高产水稻品种推广之前，也就是氮肥大量施用之前，世界各地农家种植的本地品种。世界各地气候土质的巨大差异造就了农家品种丰富的遗传多样性。研究人员通过对水稻种子库中这些“古早”的水稻品种进行基因遗传分析，最终定位了基因组上这一关键变异。有意思的是，通过对世界水稻种植区土壤氮含量数据分析，研究团队发现，土壤越贫瘠的地方，OsTCP19氮高效变异越常见，并随着土壤氮含量的增加，氮高效类型品种逐步减少，而我国现代水稻品种中这一氮高效变异几乎全部丢失。将这一氮高效变异重新引入现代水稻品种，在氮素减少的条件下，水稻氮肥利用效率可提高20-30%，也就是说，在水稻生产中，使用更少的化肥，也能达到相同的产量。
除了氮肥施用所带来的环境影响，氮肥生产本身也是高能耗、高污染行业。统计表明，生产1吨氮肥需2.8吨优质煤及1600度电能，造成2.5吨碳排放。我国争取在2060年前实现碳中和，而农业领域的节能减排，特别是减少化肥的施用至关重要。本项成果为实现这一宏伟目标提供了一个全新的思路。
2021年1月6日《自然》杂志报道了这一研究成果(DOI:10.1038/s41586-020-03091-w)。中国科学院大学已毕业刘永强博士和汪鸿儒博士（培养单位：遗传发育所）为论文的共同第一作者，中科院遗传发育所胡斌青年研究员和中国科学院大学教授、遗传发育所研究员储成才为共同通讯作者。论文得到中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金、科技部G2P基础研究项目和广东省基础研究重大专项的资助。
图a-d:OsTCP19-H在低氮和中氮下可显著提高水稻产量；a,OsTCP19-H基因型频率与土壤含氮量呈显著负相关。亚洲不同水稻种植区域土壤含氮量和OsTCP19基因型频率地理分布信息。蓝色和红色图块表示土壤总氮含量(g/kg)，黄色和绿色柱形图表示OsTCP19-L和OsTCP19-H基因型频率。6个虚线框分别表示japonica (n = 874)、indica I (n = 205)、indica II (n = 217)、indica III (n = 891)、aromatic (n = 81)和aus (n = 201)地理分布范围。副图表示土壤含氮量和OsTCP19-H频率呈显著负相关。OsTCP19-H频率由1764份籼稻品种以国家为单位计算得到，土壤含氮量收集于相应国家的水稻种植区域。b，越光和含OsTCP19-H基因型近等基因系的田间表现。标尺为24 cm。c-d，越光和近等基因系在低氮和中氮大田条件下的产量和氮肥利用效率。不同字母表示显著性差异(P < 0.05, one-way ANOVA, Tukey’s HSD test)
责任编辑：脱畅
