牛津大学、南京农业大学和中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员发现了植物中一种关键调控因子，该因子能够在养分匮乏时平衡根系和地上部分的生长。在田间试验中，携带该基因天然改良版本的稻米产量提高了高达24%。这项突破性成果发表在著名期刊《科学》上，有望最终提高全球作物产量，同时减少对合成肥料的依赖。
氮肥对现代农业至关重要，但却会造成环境成本，加剧温室气体排放、水污染和土壤退化。作物通常会通过增加根系生长来应对氮缺乏，以吸收养分，但这往往会牺牲地上部分的生长和籽粒产量。
这种权衡在自然界中是一种适应性机制，但在农业生产中却限制了农业生产力。此前，这种发育转变的分子驱动因素尚不清楚。
在这项新研究中，研究人员不仅找到了负责该转变的基因，还证明在水稻中操控该基因可以维持地上部分的生长和产量，即使在氮含量较低的情况下也是如此。
研究团队筛选了3000多个水稻品种，鉴定出一个表达能力更强的天然基因版本，并利用传统育种方法将其导入携带表达能力较弱版本的水稻植株中。在中国海南省和安徽省开展的三项田间试验中，携带改良基因的水稻植株在不同的氮肥施用条件下均保持了更稳定的根冠比，并在低施肥条件下实现了更高的产量。
在低氮肥施用量（120公斤/公顷）下，产量提高了23.7%；在高氮肥施用量（300公斤/公顷）下，产量提高了19.9%。
两对水稻植株。每对植株中，携带优良品种 WRINKLED1a 的那株明显更高，分蘖也更多。
引入优良品种 WRINKLED1a 可提高低肥和高肥施用水平下的水稻产量。来源：李珊教授。
通讯作者季哲博士（牛津大学生物系和卡列瓦研究中心）表示：“我们的研究清楚地表明，这种调控因子是可持续作物改良的一个很有前景的目标。在我们的田间试验中，改良后的基因版本对水稻产量的影响之大，令人惊叹。”
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WRINKLED1a基因的作用机制
研究团队证实，WRINKLED1a在地上部和根部发挥着不同的作用。在地上部，它作为激活因子，激活一个关键的调控基因（NGR5），从而促进枝条分枝。在根部，WRINKLED1a激活参与氮吸收的基因。此外，它还会破坏一种蛋白质复合物的形成，该复合物通常会抑制生长素（一种促进根系生长的植物激素）的积累。
图示 WRINKLED1a 如何调控水稻地上部和根系的生长。在地上部，WRINKLED 促进地上部分枝基因的表达。在根系中，WRINKLED 破坏一种抑制根系生长的蛋白质复合物。
WRINKLED1a 如何调控水稻的地上部分和根系生长。图片来源：牛津大学 Caroline Wood
有趣的是，WRINKLED1a并不破坏地上部中的这种蛋白质复合物，这表明它的作用具有组织特异性。
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该研究成果的意义
水稻是全球超过一半人口的主食（联合国粮农组织数据），但气候变化正威胁着全球水稻收成。研究表明，水稻生长季气温每升高1摄氏度，产量就会下降8%以上。氮肥是水稻生产中最大的投入成本之一——对一些农民来说，氮肥用量约占总生产成本的三分之一——而氮肥的使用本身也会加剧气候变化。
因此，这些新成果有望帮助农民在保持高产的同时减少对化肥的依赖，从而对全球粮食安全产生重大影响。
第一作者李珊博士（南京农业大学）补充道：“WRINKLED1a基因帮助水稻避免在氮素限制下常见的‘根系发达，地上部分发育不足’的权衡，从而在较低的氮肥投入下实现稳定的产量。下一步是研究能否利用其他作物（如小麦和玉米）中的同源基因来实现类似的效果。”
附录：南京农业大学博士研究生沈成波、牛津大学吉喆博士、南京农业大学钟山青年研究员焦武为论文共同第一作者；牛津大学吉喆博士、中科院遗传与发育生物学研究所傅向东院士和南京农业大学李姗教授为论文通讯作者。
原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384
