中國學者找到農作物高產少肥途徑

• 2018年8月16日 FanTianQing來源：鳳凰資訊 475 25
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  2018-2024年中國農業機械行業市場調研及發展前景分析報告

  農業機械涉及面廣泛，是種植業、畜牧業、林業和漁業等生產應用過程中動力機械和作業機械的總稱。農業機械包括農用動力機械、農田建設機械、土壤耕作機械、種植和施肥機械、植物保護機械、農田排...

中國科學院遺傳發育所研究員、分子農業生物學中心主任傅向東作為通訊作者的一篇歷時6年產出的新成果在線發表在頂級學術期刊《自然》（Nature）。該成果或預示著新“綠色革命”的到來：農作物可以做到高產、低肥。

GRF4和“盟友”在半矮化水稻中被挑撥

研究團隊接下來的問題就是GRF4決定氮吸收效率的機制是什么？

論文提出了GRF4和水稻中DELLA蛋白家族成員SLR1之間的相互作用關系。

何為DELLA蛋白？這將回溯到“綠色革命”的機制。“在我讀博士和博士后期間（2000年前后），包括我導師在內的很多課題組都在追尋‘綠色革命’品種的機理是什么，哪些基因在如何相應地調控植物生長。”傅向東表示。

經過很長時間發現，“綠色革命”的根本是DELLA蛋白的積累量增加了，而DELLA蛋白會抑制植物株高生長，植物自然就變得半矮化。

具體到水稻中，即表現為SD1等位基因的突變，在小麥中則是Rht等位基因的突變。正常情況下，赤霉素會通過破壞DELLA蛋白來促進農作物生長。然而，在上述基因突變的情況下，農作物的赤霉素活性被降低。

傅向東等人的這項最新成果中發現，GRF4能結合到參與氮吸收代謝的基因的啟動子上，通過激活這些下游的基因來增加氮的吸收和代謝。同時，GRF4需要另一個關鍵“盟友”GIF1的助推。

而水稻中DELLA蛋白家族成員SLR1剛好具有一種類似“挑撥盟友”的作用，抑制GRF4和GIF1之間的作用，從而抑制了GRF4的轉錄激活活力，最終抑制了氮的吸收代謝。

此外，正因為GRF4和DELLA蛋白家族之間存在相互作用，研究團隊證實，GRF4也是赤霉素信號傳遞途徑的一個關鍵元件。赤霉素通過促進DELLA蛋白降解，進而增強GRF4轉錄激活活性，實現植物葉片光合碳固定能力和根系氮吸收能力的協同調控，從而維持植物碳-氮代謝平衡。

研究最終證實，GRF4是一個植物碳-氮代謝的正調控因子，可以促進氮素吸收、同化和轉運途徑，以及光合作用、糖類物質代謝和轉運等，進而促進植物生長發育。

傅向東等人認為，GRF4新功能的發現不僅豐富了對于赤霉素信號傳導分子機制的認識，而且從分子水平闡明了“綠色革命”矮桿育種伴隨氮肥利用效率低下的原因，并提出了明確的解決方案。

新“綠色革命”或將到來

值得注意的是，這不是傅向東團隊首次找到提高氮使用效率的秘訣。

2014年，研究團隊曾找到另一個關鍵基因DEP1同樣能提高氮的使用效率。“這兩個發現的分子機制是不一樣的，這次是赤霉素信號途徑，當時是G蛋白信號途徑。這兩個機制之間不會互相拮抗（阻抑作用），所以組合在一起會有好上加好的效果。”

傅向東認為，把上述兩個基因組合起來用在水稻中，將來的應用前景可能更大一些。

而前述提到的Fanmiao Wang 和Makoto Matsuoka在點評傅向東等人的成果時則表示，這項研究將激勵其他研究人員發現更多其他和氮利用相關的基因和分子。

當氮利用效率提高途徑的選擇項越來越多的時候，一場新的“綠色革命”將到來。Fanmiao Wang等人如此表述。

傅向東談及其長期以來的研究工作，“我們實驗室的理念是，減少肥料的使用量有很多種辦法，但是一定是在保證產量不減的前提下減少施肥量，因為這樣才能真正被育種家和農民接受的。”

而這項最新的成果或是一項接受度很高的育種選項。“第一，它對氮的吸收利用效率更高了；第二，它能增加產量；第三，它能使植物莖稈變粗更加耐倒伏。這三個性狀對農業生產是非常有利的。”傅向東表示。

如何評價這項耗時6年的工作？傅向東感慨，第一次“綠色革命”解決了產量的問題，但留下了氮肥利用效率的問題。現在我們這個工作既保持了“綠色革命”品種的半矮化優點，同時又提高了氮肥利用效率。“應該是站在了巨人的肩膀上再往前走了一步，也符合目前國內少投入、多產出、保護環境的育種理念，我個人覺得對主要農作物育種影響還是蠻大的。”

不過，傅向東強調，這僅僅是理論上的突破。“告訴了我們有這樣的應用前景，真正的應用前景還是要靠育種家一線的實踐才能證明。”其團隊目前已經在和育種專家合作去開展相關工作，“我們希望找出更多的優異等位基因來供育種家選則，雖然每個育種家有他自己的理念，但我們希望能提供給他們一些好的材料。”

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