追求粮食高质高产始终是农业科技不断探究的领域。近年来，作物单产增长缓慢，全球约 24~39%的玉米、水稻、小麦以及大豆种植区域单产处于停滞不前甚至下降的态势。如何提高这些作物的单产，各国都在探索。
当前，世界种业进入到育种“4.0时代”，正迎来以全基因组选择、基因编辑、合成生物学及人工智能等技术融合发展为标志的新一轮科技革命。近日，中国科学家在水稻中研究发现了水稻高产基因，可提高水稻产量30%以上，并缩短生育期。该成果于北京时间今天（22日）凌晨发表在国际著名学术期刊《科学》。该基因是怎么被发现的？它对水稻高产效果如何？将对未来农作物发展起到怎样的作用？
粮食产量历史上两次突破未来人类可能仍不够吃
粮食是人类赖以生存的根本。随着人口的增加、耕地的减少，提高粮食单产是保障全球粮食安全的关键路径。然而，近年来作物单产增长缓慢，全球约 24~39%的玉米、水稻、小麦以及大豆种植区域单产处于停滞不前甚至下降的态势。188bet平台app官方 作科所研究员周文彬介绍，提高粮食作物单产，历史上至少有两次突破，第一次是以矮化育种为特征的绿色革命，第二次是以我国袁隆平先生发明的杂交水稻育种。但人类不能满足于此。
周文彬：我们预计到2050年世界人口会增至97亿，全球粮食产量至少增加60%才能满足需求。从中国来看，我们国家预测人口2030年将达到14.5亿，水稻、小麦、玉米等主要农作物生产能力需提高20%以上，需要我们提高粮食作物单产的能力。
北京顺义中国农科院作科所实验基地
埋首7年 一个特别的基因被发现
前两次产量的飞跃都得益于重大基因的发现。产量的增加还有一个很重要的原因是氮肥的施用，氮肥施用可以显著增加作物的产量，但同时又会带来土壤酸化、水体富营养化等一系列环境问题。周文彬团队致力于粮食作物光合作用功能基因的研究，经过7年时间，发现了水稻中一个特别的基因。
周文彬：我们团队在118个转录因子基础上进行筛选。首先通过低氮筛选，低氮如果诱导表达，我们总共筛选出13个基因，这13个基因是否受光的诱导，我们又鉴定出来3个基因。其中有一个基因叫OsDREB1C，这个基因就是我们的目标基因，因此，我们就构建了这个基因的敲除材料和过表达。
OsDREB1C基因在小麦和拟南芥中均具有早熟增产的功能
团队选择在“日本晴”和“秀水134”这两种水稻品种中试验，通过增强这两种水稻中这一基因的表达，果然有了意外的发现。
周文彬：过表达之后水稻的叶片色素含量，光合膜蛋白复合体的含量都有显著提高。另外光合作用关键酶RubisCO的含量和活性均高于野生型。在大田条件下，我们做了光合效率的研究，看到过表达的材料水稻光合同化速率显著提升，过表达的叶片中积累了大量的光合同化产物，同时籽粒灌浆速度更快。
野生型（WT）、过表达材料（OE1、OE2、OE5）、基因敲除材料（KO1、KO2、KO3）表型对比
试验的水稻、小麦品种中产量均有显著提高 均实现早熟
那么，光合作用效率提高的结果是什么呢？周文彬团队2018年至2022年间在北京、三亚、杭州进行多点田间试验。结果发现，增强这一基因表达后的“日本晴”和“秀水134”水稻产量都有显著增加，并且生长周期也有所缩短。
周文彬：在“日本晴”背景下实现水稻产量的显著增长，小区产量可以提高41.3%—68.3%。此外，我们还意外地发现过表达这个基因之后，还能促进水稻提前抽穗，能缩短它的生长周期，较野生型提前抽穗13~19天。在栽培稻秀水134中进行过表达，发现在杭州种植条件下过表达之后它的产量也能提升30.1%—41.6%，收获指数能提高14.8%—15.7%，抽穗期至少可提前2天。
过表达材料（左）、野生型（中）、基因敲除材料（右）田间表型对比
此外，团队还发现，这一基因在小麦中同样具有促进高产早熟的功能。通过在普通小麦品种（Fielder）中表达该基因进行功能验证，发现可使小麦田间增产 17.2~22.6%，早熟 3~6 天，说明该基因在不同作物中均具有提高产量、促进提前抽穗的保守性功能。
增强光合作用+减少氮肥施用+显著高产+早熟：集多种功能为一身的罕见基因。
尽管“水稻高产基因”的发现并非第一次，但中国科学院院士、中国农科院作科所所长钱前表示，像这样能将几种重要功能集于一身的基因非常少见。
钱前：第一个是增强光合作用，第二个氮肥吸收效率提高了，第三个还有早熟的效果。很好能协调在一起的基因还是非常少的。
中国农科院作科所副所长刘录祥提到，之前发现的水稻高产基因通常只有高产的效果，而新发现的这一基因不仅能实现高产、缩短周期，还能起到节肥的作用，意义重大。
刘录祥：这个基因因为它和光合作用相关，和氮素直接相关，对绿色丰产来说起着很重要的作用。绿色丰产你产量要高，还得消耗最少的物化投入，这个基因是有时代意义的高产，不是传统意义上的说法，它是在节肥状态下实现的高效功能的表达，这个意义比我们传统意义上的高产基因来得更强烈一些。
2021年6月9日，团队成员在北京顺义中国农科院作科所实验基地准备水稻秧苗
该基因的发现，对于未来作物新品种和新种质的培育以及大田栽培耕作模式的变革具有重要的理论价值。而这个重要的理论价值什么时候能够转化为实际应用，真正为普通农田里的水稻增产做贡献呢？周文彬解释，还需要经过较为漫长的育种阶段。
周文彬：一般育种品种是比较漫长的，8—10年。常规育种要育成新的品种需要很多团队协同努力，要大家一起，比如说育种家，分子生物学家，他们能把这个基因整合到受体中去，再进行田间的鉴定、测试、选种、验证等，甚至最后的推广、申报等等这些阶段，确实需要一定的过程。
