专访储成才:从实验室到田间

【字体: 时间:2015年07月03日 来源:生物通

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  我们常常自豪于只用了世界7%的可耕种土地养活了世界18%的人口,但你可能不知道,我们7%的可耕种土地却消耗了世界32-35%的化肥。2013年,我国化肥消耗量达6000万吨,今年5月,国家要求到2020年实现化肥、农药的零增长。如何确保农业的可持续发展?只有唯一一条路,依靠科学!

  

  “我们常常自豪于只用了世界7%的可耕种土地养活了世界18%的人口,但你可能不知道,我们7%的可耕种土地却消耗了世界32-35%的化肥。2013年,我国化肥消耗量达6000万吨,今年5月,国家要求到2020年实现化肥、农药的零增长。如何确保农业的可持续发展?只有唯一一条路,依靠科学!”

 

                                 ——中科院遗传发育所储成才研究员博客

 

上个月,在纷纷杂杂各类国内研究成果中,一项植物遗传学发现尤为吸引大家的目光——来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员首次揭示了决定粳稻与籼稻间氮肥利用效率差异的分子机制,这不仅对水稻氮利用基础研究意义重大,而且也为减少氮肥施用的品种选育从实验室走到了田间。

领导这一研究的是遗传与发育生物学研究所的储成才(Chengcai Chu)研究员,这位来自安徽岳西的科学家1999年作为中科院“****”入选者回国,回国后开始以水稻为材料,开展植物基因表达的精细调控、作物营养高效利用、农作物产量的分子基础及作物品种的分子设计等研究,在水稻营养吸收的高效利用、水稻衰老及源-库互作分子机制、作物的分子设计育种等理论及应用领域做出了一系列原创性成果,为新一代水稻及其它作物的高产育种提供了全新的思路。回国后已在Nature Genet, PNAS, PLoS Genet, Plant Cell, Plant J, Plant Physiol等国际刊物发表论文60多篇,申请专利40 多项,其中国际专利7项,与育种单位合作培育的水稻新品种3个,其中秀水114、秀水134 2010年双双进入农业部万亩高产示范片,秀水1342014年获农业部推荐的30个水稻推荐主导品种之一,累积推广面积1000多万亩。

 

籼稻(indica)和粳稻(japonica)是两个主要的亚洲栽培稻(Oryza sativa L.)亚种,其在氮肥利用效率上具有巨大差异。而氮是影响水稻产量最重要的因素之一,并且也是引发全球氮肥污染的重要成因之一。在最新这项研究中,储成才研究组发现一个关键基因NRT1.1B的自然变异可以很大程度上解释籼稻和粳稻之间的氮肥利用效率差异,这不仅揭示了水稻亚种间氮利用效率差异的分子机制,更为重要的是,它为我国科学家提出的“分子模块设计育种”和“绿色超级稻”的培育提供了一个重要的分子模块。

 

那么在这项最新研究中,导致粳稻与籼稻间氮肥利用效率差异的关键基因NRT1.1B发生什么变化,如何会引发粳稻低氮肥利用的呢?整个实验过程又是如何进行的?对于近期受到关注的氮肥污染报道,储成才研究员又是如何看待的呢?就此生物通特联系了储成才研究员,就读者感兴趣的问题请教了他。

 

 

生物通:这项研究首次揭示了水稻亚种间氮利用效率差异的分子机制,意义重大,其中关键之处在于NRT1.1B基因,这个基因此前曾从水稻中克隆过吗?您的研究组是通过什么方法锁定这种基因,并发现其在籼稻与粳稻中的差异的呢?

 

储成才研究员(以下简称储研究员):NRT1.1B基因以前没有在水稻中克隆和功能验证。我们通过图位克隆方法鉴定到这个基因,并通过对不同水稻品种的大规模重测序结果、近等基因系和转基因功能验证等手段发现其在籼粳稻中存在序列和功能分化。

 

生物通:NRT1.1B编码硝酸盐转运蛋白,主要负责的功能是什么呢?由于一个碱基的差异,导致了NRT1.1B编码的硝酸盐转运蛋白出现了什么变化,从而引发粳稻的低氮肥利用?

 

储研究员:我们的研究发现,NRT1.1B不仅具有硝酸盐吸收和转运的功能,而且具有硝酸盐信号感传导和放大等功能,从而影响硝酸盐吸收、转运和同化等各个层面。籼粳稻间一个碱基的变化导致了相应氨基酸的改变(籼稻中为甲硫氨酸,粳稻中为苏氨酸),从而使这两种蛋白在硝酸盐转运活性上产生差异,从而导致籼粳稻硝酸盐吸收利用的差异。

 

生物通:除了NRT1.1B,水稻中氮利用有关的作用因子还包含哪些呢?它们在籼稻与粳稻中是否也存在差异?

 

储研究员:氮素利用是一个非常复杂的过程,除NRT1.1B外,还包括多个硝酸盐及铵盐转运蛋白以及氮同化吸收的重要组分包括硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶等。这些组分在籼稻与粳稻中是否存在差异我们尚不清楚。

 

生物通:这项研究最重要的发现之一就是在多地的田间实验中,证明改变NRT1.1B能令粳稻氮肥利用效率提高,您能给我们详细介绍一下这些实验吗?同时从这些实验中,您是否发现了除了氮利用以外的其它水稻性状改变?

 

储研究员:田间试验在北京、上海及长沙的实验田进行,根据不同的氮肥使用量,分为高氮与低氮两种实验条件,高氮为2 kg N/100 m2,低氮为1 kg N/100 m2 (长沙为0.6 kg N/100 m2)。按照行距20 cm、株距20 cm的标准进行小区种植,每个小区面积为3.24 m2(长1.8 m,宽1.8 m),并在小区周围种植保护行。水稻成熟后,进行重要农艺性状调查,包括株高、有效分蘖数、穗粒数、结实率、千粒重、单株产量及小区产量等。通过计算单位施氮量所对应的小区产量得到氮利用效率。

 

改变的NRT1.1B主要引起水稻分蘖数的改变,进而影响单株产量、小区产量及氮利用效率。除分蘖数外,水稻其它性状并没有发生显著改变。

 

生物通:越来越多的科学家认为,环境中氮化合物污染所导致的后果比二氧化碳的排放更为严重,不少国家也花费了大量资金用于治理氮污染,他们是否也在控制氮肥的使用呢?目前主要的治理氮污染的手段有哪些呢?

 

储研究员:化肥的大量使用导致的氮污染在每个国家都或多或少的存在,治理方法我们并不清楚,这已经不是我们的研究范畴。世界上所有的科学家都在致力于如何少施肥和提高氮肥利用效率的机制研究,这应该是治理氮污染的一个重要方面。

 

生物通:您认为通过选育粳稻新品种来降低氮肥的使用,还需要进一步的证明吗?您预测在其应用过程中,是否还会出现其它的一些问题?

 

储研究员:从我们的试验结果来看,它在粳稻的育种改良中应该具有广泛性,通过育种上常规的杂交技术,辅以分子选择即可实现,没有什么技术瓶颈。

 

生物通:您的这项研究也由于与雾霾等环保概念联系在一起而备受关注,最开始一些媒体报道误读了这一研究成果,您认为作为专业科学家(非科普科学家),如何处理专业解读与大众科普的问题呢,这也是目前国内科学界存在的一大问题?

 

储研究员:和其他新闻报道不一样,科学、严谨是科学报道的核心,所以作为媒体,和科学家保持沟通是最关键的,它可以确保科学新闻的准确性,也会避免很多受众的误读。

 

更多内容请查看研究组网站:http://chulab.genetics.ac.cn/

 

(生物通:王蕾)

 

原文摘要:

Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergence between rice subspecies

 

Asian cultivated rice (Oryza sativa L.) consists of two main subspecies, indica and japonica. Indica has higher nitrate-absorption activity than japonica, but the molecular mechanisms underlying that activity remain elusive. Here we show that variation in a nitrate-transporter gene, NRT1.1B (OsNPF6.5), may contribute to this divergence in nitrate use. Phylogenetic analysis revealed that NRT1.1B diverges between indica and japonica. NRT1.1B-indica variation was associated with enhanced nitrate uptake and root-to-shoot transport and upregulated expression of nitrate-responsive genes. The selection signature of NRT1.1B-indica suggests that nitrate-use divergence occurred during rice domestication. Notably, field tests with near-isogenic and transgenic lines confirmed that the japonica variety carrying the NRT1.1B-indica allele had significantly improved grain yield and nitrogen-use efficiency (NUE) compared to the variety without that allele. Our results show that variation in NRT1.1B largely explains nitrate-use divergence between indica and japonica and that NRT1.1B-indica can potentially improve the NUE of japonica.

 

作者简介:

储成才,1966年生,安徽岳西人。博士生导师。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员,中国科学院大学教授,植物基因组学国家重点实验室副主任。1999年入选中国科学院“****”,引进国外杰出人才,2004年入选首批新世纪百千万人才工程国家级人选,2006年经国务院批准享受政府特殊津贴专家,2008年获国家杰出青年基金。现任国家植物基因研究中心(北京)理事会秘书、主任助理,中国科学院遗传发育所浙江嘉兴农作物高新技术育种中心副主任。同时兼任中国农业科学院水稻研究所研究员,南京大学、北京师范大学等兼职教授,国际组织培养与生物技术学会会员,中国生物化学与分子生物学会农业分会理事。全国科学技术新词委员会委员。中国科学院战略性先导专项(A类)“分子模块设计创新技术体系”总体组成员、课题组长。

 

   储成才研究组主要以水稻为材料,开展农作物源库互作和产量构成、种子休眠和萌发的分子机制研究,并利用分子手段实现对植物基因表达的精细调控和作物品种的分子设计改良。主要研究内容:

 

1.水稻源-库互作和产量构成

  课题组通过对所创制的水稻T-DNA插入突变体库的大规模田间表型筛选,获得大量水稻源供给能力改变(如早衰等)和库强度(籽粒大小及饱满度等)发生改变而影响产量的突变体,多个基因已被克隆,功能鉴定正在进行中。对其进一步深入系统的研究对理解水稻产量形成的分子基础和应用其开展水稻产量的分子设计改良具有重要的理论意义和应用价值。

 

2.种子休眠和萌发的分子机制

  禾谷类作物的休眠和萌发涉及到种子发育及与环境的互作,是一个极其复杂的农艺性状。小麦、水稻等禾谷类作物穗发芽现象严重影响了作物的产量和品质,但禾谷类种子休眠和萌发的分子机制目前仍无系统深入的研究。我们组通过对突变体的系统筛选,获得一系列影响水稻种子萌发的突变体,并已对多个控制穗发芽性状的基因进行了克隆和功能鉴定。我们希望通过对不同类型的休眠和萌发材料的详细分析,阐明水稻休眠和萌发的分子机制。同时,通过筛选具不同休眠程度的自然变异材料,克隆相关QTL,为农作物的改良奠定基础。

 

3.作物品种的分子设计

  随着功能基因组学研究的深入,特别是大量功能基因的克隆,如何利用所获得知识,通过分子辅助选育有针对性对农作物进行品种分子设计改良也是研究组重要的研究内容之一。除了克隆多个有潜在应用价值的基因以外,课题组还克隆了一批具有不同特异性的调控元件,利用所获得的基因和调控元件针对不同作物的特点,开展农作物品种的分子设计改良。

 

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