再登Nature！DNBSEQ平台助力绿色农业：更少的氮肥，也有望达到相同水稻产量！

全球粮食产量自上世纪60年代初起持续增加，据联合国粮农组织统计，截至2018年末，以小麦、水稻、玉米计的全球粮食年总产量达26.6亿吨，是1961年的3.6倍。然而在全球耕地面积仅增加15.5%的条件下，粮食不断增产的主要推动力是化肥的大量施用，其中绝大部分是氮肥。

2018年我国年化肥用量超过全世界化肥总消耗量的33%，氮肥利用效率只有30%左右，不到西方发达国家的一半。推动水稻第一次绿色革命的矮秆育种，使之在大量施用化肥情况下，植株不会过高而造成倒伏，从而获得较高产量。化肥的过量施用，给农业可持续发展带来了巨大的环境压力，且长期高肥下的育种导致一些重要基因资源的丢失，以致主栽水稻品种肥料利用效率普遍较低。对于未来的可持续农业而言，提高作物的氮利用效率至关重要。

针对上述问题，2021年1月7日，中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才团队在Nature发表题为“Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice”的研究成果，揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础，使得在水稻生产中，使用更少的化肥，也能达到相同的产量成为可能。值得一提的是，该研究中的转录组测序是基于DNBSEQ平台，并用华大自主研发的Dr. Tom多组学数据挖掘系统交付。

研究团队对过去100年间收集于全球不同地理区域52个国家（地区）的110份早期水稻农家种进行了全面的农艺性状鉴定，发现不同氮肥条件下，在众多农艺性状中，水稻分蘖（分枝）氮响应能力与氮肥利用效率变异间存在高度关联。研究组利用全基因组关联分析技术鉴定到一个水稻氮高效基因OsTCP19，其作为转录因子调控水稻分蘖。

进一步研究发现，OsTCP19上游调控区一小段核酸片段（29-bp）的缺失与否是不同水稻品种分蘖氮响应差异的主要原因。氮高效品种OsTCP19调控区缺失该29-bp核酸序列，氮响应负调控因子LBD蛋白可以高效结合在该位点附近并抑制OsTCP19转录表达。进一步基于DNBSEQ平台进行转录组学分析发现，OsTCP19作为转录因子抑制分蘖促进基因DLT的表达，进而实现对水稻分蘖发育的调控。这项研究成果揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础。

这一关键氮高效基因的鉴定依赖于一个多样性的“农家种”水稻群体资源。这些农家种是在现代高产水稻品种推广之前，也就是氮肥大量施用之前，世界各地农家种植的本地品种。世界各地气候土质的巨大差异造就了农家品种丰富的遗传多样性。研究人员通过对水稻种子库中这些“古早”的水稻品种进行基因遗传分析，最终定位了基因组上这一关键变异。有意思的是，通过对世界水稻种植区土壤氮含量数据分析，研究团队发现，土壤越贫瘠的地方，OsTCP19氮高效变异越常见，并随着土壤氮含量的增加，氮高效类型品种逐步减少，而我国现代水稻品种中这一氮高效变异几乎全部丢失。将这一氮高效变异重新引入现代水稻品种，在氮素减少的条件下，水稻氮肥利用效率可提高20-30%，也就是说，在水稻生产中，使用更少的化肥，也能达到相同产量。

图1 OsTCP19-H在低氮和中氮下可显著提高水稻产量；a, OsTCP19-H基因型频率与土壤含氮量呈显著负相关；b，越光和含OsTCP19-H基因型近等基因系的田间表现；c-d，越光和近等基因系在低氮和中氮大田条件下的产量和氮肥利用效率

除了氮肥施用所带来的环境影响，氮肥生产本身也是高能耗、高污染行业。统计表明，生产1吨氮肥需2.8吨优质煤及1600度电能，造成2.5 吨碳排放。我国争取在2060年前实现碳中和，而农业领域的节能减排，特别是减少化肥的施用至关重要，本项成果为实现这一宏伟目标提供了一个全新的思路。

刘永强博士和汪鸿儒博士为论文的共同第一作者，储成才研究员和胡斌青年研究员为共同通讯作者。

值得一提的是，华大DNBSEQ平台近年来已助力多篇作物成果荣登顶级期刊CNS的主刊，以下做简单回顾：

Science 封面：揭示水稻赤霉素在氮素响应过程中的作用机制

文章标题：Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice

发表时间：2020年2月

发表单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所、牛津大学等

Nature：解析作物生长、氮素利用相关GRF4-DELLA的平衡调控机制

文章标题：Modulating plant growth-metabolism coordination for sustainable agriculture

发表时间：2018年8月

发表单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所、牛津大学等

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原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03091-w

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