【直播】Science Café in China：作物增产的遗传学新进展

在全球气候日益变暖的大趋势下，植物将不可避免地遭受越来越严重的高温胁迫。特别是近年来的夏季，多个国家地区遭受极端高温天气。据联合国政府气候变化专门委员会（IPCC）评估指出，预计到2040年，平均气温将升高1.5-2.0℃，将使全球主要粮食作物减产30%-40%，对未来农业可持续发展形成巨大挑战。因此，挖掘作物抗高温基因、探索抗高温机制将具有重要的科学意义和广泛的应用前景。我们的合作研究从非洲稻中挖掘到抗热新基因位点TT3。通过功能解析首次发现作物中潜在的高温感受器，并将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来，揭示了水稻如何感知极端高温信号，并将该信号从细胞表面传递到细胞内部的分子机制，为植物抗热领域提供了全新的思路和见解。TT3.1-TT3.2遗传模块明显提高水稻高温抗性和产量稳定性，为作物抗高温育种提供珍贵的基因资源和理论基础。

杨小红 教授

中国农业大学

杨小红博士，中国农业大学教授、博士生导师。2002、2008年分别获中国农业大学学士和博士学位；2008-2011在中国农业大学从事博士后研究，并在墨西哥国际玉米小麦改良中心、美国密西根州立大学、美国康奈尔大学等交流访问；2011年入职中国农业大学任职副教授，2015年破格晋升教授。主要从事玉米产量和品质性状的遗传基础和分子育种研究。在Science、Nature Genetics、PNAS、Nature Communications、Plant Cell等期刊发表SCI论文70余篇。2013年入选教育部新世纪优秀人才支持计划；2015年入选北京市科技新星计划；2017年入选国家优秀青年科学基金项目。2014年获教育部技术发明一等奖（第三完成人）；2016年获国家技术发明二等奖（第三完成人）；2017年获神农中华农业科技奖（第12完成人）；2019年获中国作物学会青年科技奖。

报告题目：殊途同归：玉米和水稻趋同选择的遗传规律

玉米、水稻、小麦等禾谷类作物是为全球人类提供了50%以上的能量摄入，大约在一万年由野生种独立驯化而来。尽管不同作物的起源地和祖先各不相同，但在作物演化过程中某些性状发生了趋同变化趋势。这种性状的趋同变化是否遵循相同的遗传规律，一直处于争论阶段。本研究克隆了一个控制玉米穗行数的驯化基因KRN2，该基因编码WD40蛋白，与DUF1644基因互作而共同负调控玉米穗行数的形成。在此基础之上，同源克隆了KRN2在水稻中同源基因OsKRN2，发现该基因的功能和选择机制与玉米类似，通过相似的途径负调控水稻穗粒数的形成，并在水稻的演化过程中同样受到选择。对玉米KRN2和水稻OsKRN2的基因编辑材料进行田间测产试验，发现KRN2和OsKRN2功能丧失之后，可分别提高10%左右的玉米产量和8%左右的水稻产量，但对其他农艺性状没有不良影响。进一步在全基因组水平上检测到490对趋同选择基因，这些基因在淀粉与糖代谢、辅助因子合成等途径特异富集。这些研究结果丰富了作物驯化的遗传学规律，为作物产量性状的遗传改良提供优异基因资源，并为从头驯化创制新型作物提供有价值的信息。

周文彬 研究员

中国农业科学院作物科学研究所

周文彬，博士，中国农业科学院作物科学研究所研究员。2008年获中科院上海植物生理生态研究所博士学位；2008-2009年在植生所任助理研究员；2009-2014年在德国马普分子植物生理所从事博士后研究；2015年至今任中国农业科学院作物科学研究所研究员。主要从事作物高光效分子生理研究工作，以第一或者通讯作者在Science、Nucleic Acids Research等国际学术期刊发表论文20余篇。2020-2021年任作物科学研究所副所长；现为中国农业科学院科技管理局副局长。任中国作物学会常务理事兼副秘书长、栽培专业委员会委员，作物学报编委、The Crop Journal期刊编辑。

报告题目：OsDREB1C基因调控水稻高产早熟的分子生理机制

随着全球人口持续增长、耕地缩减以及新冠疫情肆虐全球，粮食需求将长期呈现刚性增长趋势，粮食作物单产需要进一步提升。自上世纪60年代绿色革命开始的矮化育种和杂交育种之后，粮食作物单产增幅一直停滞不前。研究以碳-氮协同调控产量为出发点，综合地上光合作用与地下氮素吸收利用过程，从潜在调控C4光合作用的转录因子中筛选鉴定到一个受低氮和光诱导的转录因子OsDREB1C。研究发现，过表达OsDREB1C能够同时提高水稻的光合作用效率和对氮素的吸收和转运，增加同化物向籽粒的分配，显著提高水稻产量，并且促进水稻提前抽穗。在北京、三亚以及杭州三地的多年田间试验中，在水稻品种“日本晴”中过表达OsDREB1C基因可实现水稻显著增产41.3~68.3%，在栽培稻品种“秀水134”中过量表达该基因，产量较野生型提高30.1~41.6%。分子机理解析表明，OsDREB1C能够结合并激活OsRBCS3、OsNRT1.1B、OsNRT2.4、OsNR2和OsFTL1等下游靶基因的表达，使水稻实现高产早熟。此外，在小麦和拟南芥中表达OsDREB1C基因进行功能验证，发现OsDREB1C基因在不同物种中均具有提高产量、促进提前抽穗的保守性功能。OsDREB1C通过对多个重要生物学途径的协同调控实现产量突破的研究，为培育更加高产、氮肥更高效以及早熟的作物品种提供了重要基因资源，并且创新了作物高产理论指导未来作物育种，对于推动农业可持续集约化生产、进一步保障国家粮食安全和生态安全具有重要的理论意义和应用价值。

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编辑：黄琦