JGG | 中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所傅向東/吳昆團(tuán)隊(duì)綜述綠色革命水稻“減肥增效”育種策略

水稻作為我國(guó)乃至全球最重要的糧食作物之一，養(yǎng)育著世界近半數(shù)人口。上世紀(jì)60年代的綠色革命成功解決了施肥導(dǎo)致的植株倒伏問(wèn)題，顯著提高了水稻產(chǎn)量，但同時(shí)也降低了氮肥利用效率。隨著氮肥的大量施用，由此引發(fā)的土壤退化與水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻。因此，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的核心挑戰(zhàn)在于：如何在減少氮肥用量的前提下，有效增強(qiáng)光合固碳能力以提高產(chǎn)量。破解這一增產(chǎn)與環(huán)保矛盾的關(guān)鍵在于深入優(yōu)化作物碳–氮代謝過(guò)程及其同化產(chǎn)物的分配。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線(xiàn)發(fā)表題為“

Design strategies for enhanced sustainable green revolution productivity in rice

該綜述闡述了如下觀(guān)點(diǎn)：首先，作物產(chǎn)量的提高依賴(lài)于光合作用能力的增強(qiáng)，包括提升光捕獲和碳固定以增加光能利用，以及減少非光化學(xué)淬滅和光呼吸等引起的光能損耗。其次，協(xié)同提高氮吸收和同化能力是增強(qiáng)光合作用和提高水稻產(chǎn)量所必需的。同時(shí)，碳氮同化產(chǎn)物從源(葉片)向庫(kù)(籽粒)的轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)水稻產(chǎn)量形成和收獲指數(shù)的提高至關(guān)重要。此外，優(yōu)化葉綠素分布和改善株型結(jié)構(gòu)對(duì)于密植條件下群體光合效率和產(chǎn)量具有顯著提升作用。最后，該綜述指出未來(lái)還需要繼續(xù)挖掘產(chǎn)量和氮肥利用效率的關(guān)鍵調(diào)控因子(如GRF4、DREB1C和dep1-1)，并且利用人工智能輔助蛋白定向進(jìn)化和基因編輯技術(shù)創(chuàng)制新的優(yōu)異等位基因，通過(guò)多基因聚合技術(shù)，培育“少投入、多產(chǎn)出、保護(hù)環(huán)境”的作物新品種，推動(dòng)“新綠色革命”的實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化“源–庫(kù)–流”關(guān)系是提升水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵

提高籽粒產(chǎn)量的根本在于優(yōu)化“源–庫(kù)–流”關(guān)系，具體通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)：增強(qiáng)“源” (葉片或根)的能力以產(chǎn)生更多光合產(chǎn)物或吸收更多養(yǎng)分；增大“庫(kù)” (籽粒)的容量，促進(jìn)碳氮同化產(chǎn)物從源向庫(kù)的轉(zhuǎn)運(yùn)。圖中紅色和藍(lán)色箭頭分別指示碳同化產(chǎn)物和氮同化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)方向。

作者簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王碩勛博士為該綜述第一作者，傅向東研究員和吳昆青年研究員為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)和新基石研究員項(xiàng)目等資助。