玉米和水稻光合特性的差异
研究人员经过多年多点田间试验，在“日本晴”水稻中增强OsDREB1C基因的表达，比野生型水稻增产41.3%-68.3%，在“秀水134”水稻中，比野生型水稻增产30.1%-465438。中国农科院作物所所长、中科院院士千千评价，此次发布的“水稻高产基因”成果，为下一步科研工作提供了重要的基因资源和更多的生产应用可能。
与过量表达材料(左)、野生型(中)和基因敲除材料(右)的田间表型相比，过量表达的水稻材料在光照下生长快于野生型。中国农业科学院供图
七年前的一个发现。
2014，《自然生物技术》上的一篇文章引起了周文斌团队的注意。通过比较玉米和水稻，发现了118个调控玉米光合作用的转录因子。
周文斌介绍，这些118转录因子在玉米和水稻中有一对一的同源基因。玉米和水稻都是禾本科植物，但产量相差很大。玉米的产量远高于水稻，几乎是水稻的两倍。这是因为它们光合作用的方式不同。玉米是C4作物，最大的特点是比C3作物(如水稻、小麦)具有更高的光合效率、氮素利用效率和水分利用效率。
这些功能与产量密切相关。光合作用将空气中的二氧化碳同化为有机物，是作物生物量和产量的基础。氮是叶绿素、蛋白质、核酸和代谢产物的重要组成部分，也是产量形成的主要限制因素。
引起科学家关注的是，同样存在于玉米和水稻中的同源基因，为什么会产生巨大的差异？
两个研究团队承担了初步鉴定任务，分别是中国农业科学院作物科学研究所的博士生魏博士和李霞博士，也是本文的第一作者。
这是一个漫长的发现之旅。魏告诉记者，在不断的鉴定和分析中，他们几次面临放弃的情况，但都坚持到了最后。命运眷顾了他们，他们在水稻中鉴定出一个受光照和低氮诱导的转录因子OsDREB1C。
正是这个小小的转录因子，可能是大幅度提高水稻产量的契机。
高产依然是最重要的追求。
中国有14亿人口，约占世界的19%，但中国的耕地只有世界的7%左右。这个庞大的国家真正告别饥饿还不到40年。特别是近年来，世界上受饥饿影响的人数正在逐渐增加。最新报告《2022年世界粮食安全与营养》指出，2021年，全球受饥饿影响的人口达到8.28亿，世界粮食安全面临巨大挑战。
因此，高产仍然是农业育种，尤其是粮食育种中最重要的追求之一。
周文斌介绍，上世纪60年代，开始了“绿色革命”，通过半矮秆育种、杂交育种等品种的选育，以及栽培管理技术的改进，农作物产量大幅提高。
然而，近年来，这种增长正在进入一个平台期，收益率的增长变得缓慢。“全球约有24%-39%的玉米、水稻、小麦和大豆种植面积处于停滞甚至下降状态。”
同时，大量使用氮肥仍然是提高作物产量的重要措施之一。但过量使用氮肥不仅不利于增产，还会带来日益明显的负面效应，包括环境污染和“贪青晚熟”问题。其中“贪青晚熟”可能会影响复种，进而影响整体产量。
全球粮食生产的困难使得大幅度提高作物产量和高效利用氮肥的需求日益迫切，这也是当前农业科研的难点和热点。
OsDREB1C的发现为解决这些问题带来了曙光。
现场长时间验证
鉴定完成后，是一个更长的测试过程。
周文斌告诉记者，研究小组选择了两个品种进行实验。一个是日本晴，是水稻研究中的模式作物，因为它的全基因组序列已经测序，是一个极好的实验对象。另一个品种是“秀水134”，目前正在生产中使用。这是常规粳稻品种，亩产可达600斤。
目前，实验材料之一的日本晴正在北京顺义的研究基地种植。虽然还在苗期，但稻田里的作物长势已经可以用肉眼分辨出来。
周文斌告诉记者，通过现代基因工程技术手段，研究人员构建了敲除材料和过表达材料，并与未经操作的野生型进行对比。
结果表明，过量表达该基因的水稻材料在光照下比野生型生长更快，光合作用速率显著提高，籽粒灌浆速率更快。同时，在田间实验中，研究人员还发现，过量表达的材料利用氮素的效率显著提高。在不施氮、中施氮和高氮三个试验田中，在不施氮的中施氮条件下，超表达材料的产量可以达到甚至超过野生型的产量。
“我们有望实现减氮高产的目标。”周文斌说。
在北京、杭州、三亚等地，研究人员进行了多年多点的实地实验。结果表明，OsDREB1C在日本表达后，在北京地区可显著增产，小区增产41.3%-68.3%。秀水134在杭州能增产30.1%-41.6%。同时，两种实验材料都有不同程度的早熟效应。
增加水稻产量的新方法？
周文斌说，这项新研究不仅创新了作物高产理论，还证实了一个基因调控多种生理功能的可能性。OsDREB1C在水稻中过量表达，具有高光合效率、高氮效率和早熟性三重效应，对提高水稻产量、减少氮肥使用和解决作物复种时茬紧等实际农业生产问题具有重要作用。此外，OsDREB1C还具有小麦高产早熟的保守功能，这使其具有广泛的应用潜力和发展前景。
这篇论文的三位审稿人对这一发现给予了充分肯定，其中一位认为“这项研究的增产效果显著，令人振奋，具有潜在的影响力。如果应用到实际农业生产中，将进一步促进水稻的持续集约化生产。”
中国农业科学院原副院长、中国工程院院士万建民说，“这个基因的发现为我们提供了一种新的研究材料和遗传资源，也为我们提供了无限可能，但下一步需要科学组织，加快育种应用。”
中国科学院院士杨也表示，“这是中国水稻研究成果中的又一重大发现，为培育更多高产、氮高效利用和早熟的农作物品种提供了重要的遗传资源。”
然而，从新发现到真正应用还有很长的路要走。中国农业科学院作物研究所所长、中国科学院院士千千说，这个基因的发现“的确是育种的新曙光。未来更需要尽快将理论付诸实践，以更快的速度实现应用”。