Science：中国农科院周文彬团队发现一种提高粮食产量和缩短水稻生长期的转录调节因子

俄乌战争引发的潜在粮食危机令世人对保障粮食供给的重要性有了更深刻的认识。借助生物技术力量提高粮食产量是重中之重。中国农业科学研究院在新一期《Science》发文，介绍了他们发现的一种能大幅提高粮食产量和缩短水稻生长期的转录调节因子。

　　

基因改良推动水稻产量

农业生产力的提高可以减轻农业对环境的影响，也许还能从更少的土地上提供更多的粮食。中国农科院的研究人员鉴定出一种水稻转录因子OsDREB1C，当过度表达时有多种有用的作用。该基因的表达受光照和低氮状态的诱导，调控光合能力、氮利用率和开花时间。在大田试验中，过表达该基因的植物产量更高，生长期缩短，氮肥利用效率提高。

摘要

人口的快速增长，肉类消费的增加，以及农作物用于非食品和非饲料目的的扩大，增加了全球粮食生产的压力。同时，为提高农业产量而过度使用氮肥，对人类健康和环境都构成严重威胁。为了实现所需的增产和农业的可持续发展，需要加强育种和基因工程的努力，以获得具有更高光合能力和更高氮利用效率（NUE）的作物新品种。然而，研究进展缓慢，主要是由于对调节基因的了解有限，这些基因可能协调优化碳同化和氮利用。

植物生长发育等复杂的生物学过程往往受到转录因子的控制，转录因子调控着大组基因的表达，并以级联的方式激活次级转录因子。本文作者通过筛选水稻光合作用相关转录因子，鉴定了一个DREB（脱水响应元件结合）家族成员OsDREB1C，在该家族中表达由光和低氮两种状态诱导。作者通过实验发现OsDREB1C驱动功能多样的转录程序，决定光合能力、氮利用率和开花时间。现场试验OsDREB1C-过量表达水稻的产量增加了41.3%至68.3%，此外，还缩短了生育期，提高了氮肥利用效率，促进了资源的有效配置，从而为实现农业生产力的急需增长提供了一种战略。

理论基础

转录因子通过与靶基因的启动子（或基因内区域）结合来控制多种生物过程，已经发现了许多转录因子控制碳固定和氮同化。先前对玉米和水稻叶片转录组和代谢组的比较分析显示，有118个候选转录因子可能作为C₄光合作用。研究人员对这些转录因子对光和氮供应的反应进行分析和筛选，鉴别了OsDREB1C基因（Dehydration-Responsive Element-Binding Protein 1C，脱水反应元件结合蛋白1C(OsDREB1C)）作为APETALA2/乙烯响应元件结合因子（AP2/ERF）家族的成员，具有调节光合作用和氮利用的调节因子的特性。

结果

OsDREB1C水稻在光照和低氮条件下均可诱导表达。研究人员制备了过表达株(OsDREB1C-OE）和敲除突变体(OsDREB1C-KO）并于2018年至2021年在中国北部、东南部和南部进行了田间试验。OsDREB1C-OE过表达株由于每穗粒数增加，粒重增加，收获指数提高，OE植株的产量比野生型高41.3%～68.3%。研究人员观察到光诱导生长促进OsDREB1C-OE植物伴随着光合能力的增强和光合同化物的增加。此外，¹⁵N不同施氮方式下的供氮试验和田间试验表明，不同施氮方式下，由于氮的吸收和运输活动的增加，OsDREB1C-OE植物氮肥利用效率提高。而且，OsDREB1C过度表达导致碳氮在源库之间的分配更为有效，从而提高了粮食产量，尤其是在低氮条件下。此外OsDREB1C-在长日照条件下，OE植株开花早13～19天，抽穗期积累的生物量高于野生型植株。

OsDREB1C定位于细胞核和胞浆中，作为转录激活因子直接与DNAcis元件结合，包括脱水反应元件（DRE）/C重复序列（CRT）、GCC和G盒。染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和转录组分析在全基因组水平上共鉴定出9735个OsDREB1C结合位点。研究人员发现OsDREB1C靶向的5个基因——[核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶小亚基3(OsRBCS3)、硝酸还原酶2(OsNR2)、硝酸盐转运体2.4(OsNRT2.4)、硝酸盐转运体1.1B(OsNRT1.1B)、和开花位点T-like 1(OsFTL1)]分别与光合作用、氮利用和开花密切相关，这些性状因OsDREB1C过度表达而发生变化。ChIP qPCR技术和DNA亲和力纯化测序（DAP-seq）检测证实，OsDREB1C通过与启动子OsRBCS3、以及外显子OsNR2、OsNRT2.4、OsNRT1.1B和OsFTL1的结合来激活这些基因的转录。研究表明，OsDREB1C在小麦和小麦中的过表达也能提高生物量和产量。研究人员还证明了转录因子的作用方式和生物学功能在进化上是保守的。

结论

过度表达OsDREB1C早熟开花不仅能提高粮食产量。研究表明，通过对单个转录调节基因的表达进行基因调控，可以在缩短作物生长期的同时，显著提高产量。现存的自然等位基因变异OsDREB1C转录因子在种子植物中高度保守的功能，以及基因工程改变其表达的容易程度，这表明该基因可能是未来作物改良策略的目标，以实现更高效和更可持续的粮食生产。