中國學者找到農(nóng)作物高產(chǎn)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(nóng)業(yè)機械行業(yè)市場調(diào)研及發(fā)展前景分析報告

  農(nóng)業(yè)機械涉及面廣泛，是種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)等生產(chǎn)應(yīng)用過程中動力機械和作業(yè)機械的總稱。農(nóng)業(yè)機械包括農(nóng)用動力機械、農(nóng)田建設(shè)機械、土壤耕作機械、種植和施肥機械、植物保護機械、農(nóng)田排...

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

北京時間8月16日凌晨，中國科學院遺傳發(fā)育所研究員、分子農(nóng)業(yè)生物學中心主任傅向東作為通訊作者的一篇歷時6年產(chǎn)出的新成果在線發(fā)表在頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）。該成果或預(yù)示著新“綠色革命”的到來：農(nóng)作物可以做到高產(chǎn)、低肥。

上世紀60年代，以降低農(nóng)作物株高、半矮化育種為特征的第一次“綠色革命”，使得全世界水稻和小麥產(chǎn)量翻了一番，解決了溫飽問題。

半個多世紀之后，被打上“綠色革命”烙印的水稻、小麥讓農(nóng)學領(lǐng)域的專家開始為另一項新的問題困擾。“半矮化農(nóng)作物株高變矮了使得它對化肥不敏感，帶來的后果就是對氮肥的利用效率也下降了，使得現(xiàn)在我們的農(nóng)民大量施肥，但并沒有獲得他們真正想要的產(chǎn)量，同時又導(dǎo)致了環(huán)境問題。”傅向東在接受媒體采訪時如此表述。

傅向東帶領(lǐng)的團隊長期研究如何獲得高產(chǎn)而少肥的農(nóng)作物。傅向東稱，“這是育種專家的一個共同目標，但長期以來一直沒有解決?！贝舜伟l(fā)表的成果，將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域并不陌生的轉(zhuǎn)錄因子GRF4 （GROWTH-REGULATING FACTOR 4）一項此前未被發(fā)現(xiàn)的功能展現(xiàn)出來，讓上述目標進一步接近實現(xiàn)的可能。

“原來大家并不清楚為什么‘綠色革命’品種氮肥利用效率會下降，所以我們的研究就是針對這個問題展開。GRF4讓我們找到了一個新的策略，就是既維持農(nóng)作物的高度不變，讓它抗倒伏，同時提高氮肥的利用效率，實現(xiàn)了少投入、多產(chǎn)出的目標?！备迪驏|表示。

在《自然》同時發(fā)表的一篇評論文章中，來自日本名古屋大學生物科學和生物技術(shù)中心的兩名同行業(yè)專家Fanmiao Wang 和Makoto Matsuoka點評傅向東等人的成果，“一場新綠色革命即將到來?！彼麄冋J為，這項研究將激勵其他研究人員發(fā)現(xiàn)更多其他和氮利用相關(guān)的基因和分子。

傅向東本人表示，“這項工作既保持了綠色革命品種的半矮化優(yōu)點，同時又提高了氮肥利用效率，我們應(yīng)該是站在了巨人的肩膀上再往前走了一步。這也符合目前國內(nèi)少投入、多產(chǎn)出、保護環(huán)境的育種理念，我個人覺得對主要農(nóng)作物育種影響還是蠻大的?！?/p>

“綠色革命”的功與過

20世紀60年代前后，化肥開始在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。肥料的使用促進了農(nóng)作物生長發(fā)育，長勢喜人的農(nóng)作物理論上這會使得產(chǎn)量更高。但同時產(chǎn)生了一個弊端。株高越高、穗子越大的農(nóng)作物負擔更重，尤其在暴風驟雨的惡劣環(huán)境中極易倒伏。也就是說，化肥使用之后產(chǎn)生了農(nóng)作物倒伏的問題，出現(xiàn)倒伏產(chǎn)量自然也減少了。

“這樣就催生了農(nóng)作物半矮化育種，農(nóng)作物重心下降之后就抗倒了。這就使得全世界水稻和小麥的產(chǎn)量翻了一番，也就是所謂的第一次‘綠色革命’。”傅向東稱。

傅向東提到，“現(xiàn)在所有的水稻和小麥品種都帶有‘綠色革命’基因?！?/p>

解決抗倒伏、耐肥的同時，另一個問題在上世紀90年代被逐漸意識到。

“上世紀60年代到90年代，隨著化肥使用量的增加，產(chǎn)量是增加的。但到了上世紀90年代之后出現(xiàn)了一個拐點，化肥使用量一直在上升，但產(chǎn)量并沒有提高”傅向東表示，農(nóng)民都希望施更大量的肥從而獲得更高的產(chǎn)量，但事與愿違。

也就是從那時候開始，現(xiàn)有主要農(nóng)作物對氮肥利用效率低成為一個長期待解的迷。目前，中國水稻氮肥利用率平均只有35％。

與此同時，氮肥大量使用來帶的環(huán)境問題與日俱增?！皣鴥?nèi)肥料的使用量是全世界平均的3倍，這個壓力是很大的，所有尤其在中國，提高氮肥利用效率是非常重要的?！?/p>

目前，中國水稻種植面積占世界水稻種植面積的20％，但中國水稻氮肥用量卻占全球水稻氮肥總用量的37％。持續(xù)大量的氮肥投入，不僅浪費了資源和能源，而且加劇了土壤酸化、水體富營養(yǎng)化和農(nóng)業(yè)溫室氣體排放等一系列生態(tài)環(huán)境污染問題。

“為了增加一點點的產(chǎn)量，需要多施很多的肥。50年后，我們碰到了新的困擾。”傅向東表示。

問題的關(guān)鍵：GRF4

這項研究始于6年前，傅向東課題組著手尋找氮利用效率低下的原因。

以水稻為例，研究團隊比較了大量帶有“綠色革命”基因（SD1，等位基因突變會造成半矮化）的品種，研究它們對氮肥的吸收、同化（植物體內(nèi)無機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機態(tài)氮的過程）的差異性。

“我們就發(fā)現(xiàn)，有些品種對氮的吸收能力高一些、有些品種吸收能力低一些，但是它們都是帶有‘綠色革命’基因的，這些都是育種家在用的?！备迪驏|表示。

在論文中，研究團隊選取了36個秈稻品種。充足的氮肥條件下水培4周測各品種對氮的吸收，同樣在高肥條件下土壤種植各品種來采集產(chǎn)量數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，36個品種對氮的吸收效率存在最大為3倍的差異。

同時研究團隊發(fā)現(xiàn)一個有意思的現(xiàn)象，即所有現(xiàn)在的高產(chǎn)品種，它們對氮的吸收能力都不是最高的?！拔覀儺敃r看到這個結(jié)果還是很高興的，這就意味著現(xiàn)在的所有品種還有改良空間。”

研究團隊用上述品種構(gòu)建了一個遺傳群體，去了解到底哪個基因能決定氮肥吸收能力增強。最終，研究團隊通過QTL定位、圖位克隆等技術(shù)找到了氮肥高效利用的關(guān)鍵基因，即GRF4。

實際上，科學家對GRF4并不陌生。此前的研究表明，GRF4可以調(diào)節(jié)穗子大小、生長分子細胞分裂素的水平，這些都和產(chǎn)量相關(guān)。也有研究認為，GRF4可能參與了赤霉素（一種植物激素）信號傳遞途徑，對植物生長發(fā)育起重要調(diào)控作用。不過，具體分子機制并不是很清楚。

找到關(guān)鍵基因之后，研究團隊在“綠色革命”品種的基礎(chǔ)上改造水稻，上調(diào)GRF4的表達。結(jié)果顯示，和對照組“綠色革命”品種相比，上調(diào)GRF4表達的水稻對氮吸收能力增強。

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