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【深圳商报】新任院士率深圳科学家牵头发现水稻新基因,既能增产也能提升氮肥利用效率

2019-12-02 12:00:00来源:

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作为水稻原产国和最大种植、生产和消费国家,中国科学家们在水稻研究上一直孜孜不倦。

日前,中国农科院深圳农业基因组研究所(下称“基因组所”)研究员、新当选中国科学院院士钱前率领团队,与中国水稻研究所等单位合作,通过图位克隆发现了水稻新基因资源,不仅能够提高水稻产量,还能提升氮素利用效率。

▲中国农业科学院深圳综合试验基地种植的水稻

水稻作为世界三大重要粮食作物之一,在中国已有3000多年栽种历史。目前,中国每年种植水稻4.5亿多亩,占全球播种面积18%;年产稻谷约2.1亿吨,占全球总产量28%;为中国65%以上人口提供主食,基本保障了水稻供给自足。中国不仅是世界上较早启动植物基因组学研究的国家之一,也在1998年作为主要发起国参与了“国际水稻基因组测序计划”,与多国科学家共同绘制水稻遗传图和物理图,并测定和注释基因组序列。

21世纪初,中国科学家开始瞄准水稻的高产、优质和抗逆性,开展水稻功能基因组学研究,取得了一系列重要原创研究成果。钱前便是其中代表,11月22日中国科学院增选64名院士和20名外籍院士,他便赫然在列。在该研究中,钱前带领基因组所副研究员商连光参与大数据分析工作,同时在项目规划、试验开展和论文写作方面都进行了统筹指导。他与英国牛津大学NicholasP.Harberd教授为共同通讯作者。中国水稻研究所研究员高振宇研究员、副研究员陈光和中科院植物生理生态研究所王玉锋博士为论文的并列第一作者。

科研人员在接受读创专访时表示,尽管目前中国在水稻分子遗传学研究领域处在国际一流位置,但中国水稻种植仍面临这一些问题。例如近10年,中国主要粮食作物氮肥利用率分析结果表明,水稻氮肥表观利用率只有39%,即施氮肥量的50%以上残留在环境中。“植物正常生长发育通常需要14种矿物质元素,其中氮元素需求量最大,是蛋白质、核酸、磷脂以及叶绿素和植物激素等有机大分子的基本组成元素,同时也是促进作物增产的重要因素之一。”科研人员谈到,农业生产上一般通过大量施用氮肥来促进农作物生长,从而达到增产目的。据统计,全世界每年施用氮肥超过1.2亿吨,而我国消耗的氮肥量占世界氮肥总施用量30%,但平均化肥利用效率仅有35%左右,严重低于发达国家的化肥利用效率。氮肥大量施用不仅增加了农业生产成本,更为严重的是导致了包括气候变化、土壤酸化及水体富营养化等一系列环境灾难。

▲实验图片

如何从基因入手解决这个问题呢?科研人员利用长而细的籼稻9311和短而粗的粳稻“日本晴”构建重组自交系群体,发现携带籼型OsNR2转基因植株硝酸还原酶活性更高,携带示踪同位素的硝态氮吸收活性更强,地上部和穗部含氮量也更高。通过在多地进行田间试验的结果也表明,带有籼型OsNR2的近等基因系或转基因的株系有效分蘖和产量增加。

此外,之前科学家曾发现携带籼型硝态氮转运蛋白的OsNRT1.1B等位基因的水稻,氮效率和产量均显著高于携带粳型OsNRT1.1B等位基因的水稻。本次研究进一步发现籼型OsNR2等位基因有此功效,在粳稻中如果聚合了这两个基因,可以获得比导入单个基因更高的产量和氮肥利用率。

▲中国农科院深圳综合试验基地种植的水稻成熟了

据了解,此次发现的基因为水稻自然存在基因,通过杂交等育种手段,3至5年后即可运用到实际生产中,让水稻在产量增加的同时能降低氮肥投入,降低生产成本,减少环境污染。

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