Science：我国科学家领衔揭示过表达OsDREB1C基因可让水稻的产量增加至少41.3%

人口的快速增长、肉类消费的不断增加以及用于非食品和非饲料用途的作物的不断扩大，增加了全球粮食生产的压力。与此同时，过度使用氮肥来提高农业生产，对人类健康和环境都构成了严重威胁。为了实现所需的增产并使农业更加可持续，需要加强育种和基因工程工作，以获得具有更高的光合作用能力和改善氮使用效率（NUE）的新作物品种。然而，这方面的进展缓慢，主要是由于对有可能协调优化碳同化和氮利用的调节基因了解有限。

转录因子通过与目标基因的启动子（或者基因内区域）结合来控制不同的生物过程，目前已经发现了一些控制碳固定和氮同化的转录因子。以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光合作用的调节因子。

在一项新的研究中，来自中国农业科学院、上海师范大学、北京大学和德国马克斯-普朗克分子植物生理学研究所的研究人员在水稻中筛选了这些转录因子对光和氮供应的反应性，发现作为AP2/ERF（APETALA2/ethylene-responsive element binding factor）家族的成员，基因OsDREB1C（Dehydration-Responsive Element-Binding Protein 1C）表现出可以同时调节光合作用和氮利用的调节因子的特性。

OsDREB1C的表达在水稻中被光照和低氮状态诱导。这些作者在水稻中产生了过表达系（OsDREB1C-OE）和敲除突变体（OsDREB1C-KO），并于2018年至2021年在中国北部、东南部和南部进行田间试验。OsDREB1C-OE植株的产量比野生型（WT）植株高41.3%～68.3%，这是因为每穗谷粒数增加，谷粒重量提高，收获指数增强。他们观察到，光诱导的OsDREB1C-OE植物的生长促进伴随着光合作用能力的增强和光合作用同化物的增加。此外，¹⁵N喂养实验和不同氮肥施肥方案的田间研究显示，由于氮的吸收和运输活性的提高，OsDREB1C-OE植物的氮使用效率得到改善。此外，OsDREB1C的过表达导致碳和氮从源到汇的更有效分配，从而提高了谷粒产量，特别是在低氮条件下。此外，在长日照条件下，OsDREB1C-OE植株比野生型植株提前13-19天开花，并抽穗期积累了更高的生物量。

OsDREB1C协调产量和生长持续时间。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abi8455。

OsDREB1C定位于细胞核和细胞膜，是一种转录激活剂，直接结合DNA中的顺式元件，包括DRE/CRT、GCC和G框。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发现了9735个推定的OsDREB1C结合位点。这些作者发现OsDREB1C靶向的五个基因--- OsRBCS3（ribulose-l,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase small subunit 3）、OsNR2（nitrate reductase 2）、OsNRT2.4（nitrate transporter 2.4）、OsNRT1.1B（nitrate transporter 1.1B）和OsFTL1（flowering locus T-like 1）---与光合作用、氮利用和开花密切相关，而这些关键性状因OsDREB1C的过表达而改变。ChIP-定量聚合酶链反应（ChIP-qPCR）和DNA亲和纯化测序（DAP-seq）实验证实，OsDREB1C通过结合OsRBCS3的启动子以及OsNR2、OsNRT2.4、OsNRT1.1B和OsFTL1的外显子来激活这些基因的转录。通过证实OsDREB1C在小麦和拟南芥中过量表达也可以实现生物量和产量的增加，他们证实了这种转录因子的作用方式和生物学功能在进化上是保守的。

综上所述，OsDREB1C的过量表达不仅能提高谷粒产量，而且还能带来更高的氮使用效率和提早开花。这项新的研究证实，通过对单个转录调控基因的表达进行遗传调控，可以实现大幅增产，同时缩短作物的生长时间。OsDREB1C现有的等位基因变异，这个转录因子在种子植物中的高度保守功能，以及通过基因工程改变它的表达的便利性，表明该基因可能成为在未来实现更高效和更可持续的粮食生产的作物改良策略的靶标。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Shaobo Wei et al. A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice. Science, 2022, doi:10.1126/science.abi8455.

Steven Kelly. The quest for more food. Science, 2022, doi:10.1126/science.add3882.