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CC讲坛演讲:找回丢失的基因 开启新的绿色革命 精选

已有 2835 次阅读 2021-3-4 14:55 |个人分类:佳作欣赏|系统分类:科普集锦

    CC(Created in China)讲坛一直致力于打造一个类似TED讲坛,18分钟,让科学家等用普罗大众听得懂的语言传播科学思想!2021年2月6日应邀在CC讲坛上做了“找回丢失的基因 开启新的绿色革命”的科普演讲。

    演讲视频请点击链接 CC讲坛视频"找回丢失的基因 开启新的绿色革命",演讲词根据CC讲坛记录整理(转载于CC讲坛 微信公众号)。


我是中国科学院遗传与发育生物学研究所的储成才。今天我讲的主题是《找回丢失的基因 开启新的绿色革命》。


什么是绿色革命呢?我们讲绿色往往都和生态连到一起。但在农业生产上,我们讲绿色革命通常是指一项革命性的技术所带来的农作物产量的大幅度提升。


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上个世纪50年代、60年代,我们种植的水稻大多是高秆。但是这种高秆水稻有个什么缺点呢?当施肥的时候特别容易倒伏,倒伏就导致减产。


1956年,我们国家华南农学院的黄耀祥先生,就用广西的一个农家品种矮子占,和高秆水稻品种杂交,培育了第一个矮秆品种叫广场矮。十年后的1966年,菲律宾国际水稻所用我国台湾的一个农家种低脚乌尖,和高秆水稻品种杂交,培育了第一个半矮秆品种叫 IR8。矮秆品种和半矮秆品种的培育和推广,使亚洲的水稻产量获得大幅度提升。


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上世纪50年代,我国水稻亩产大概是164公斤,但到70年代初,我国水稻亩产就达到238公斤,单产提高了45%,这就是我们经常讲的第一次水稻绿色革命。


为什么高秆变矮秆,水稻产量会有大幅度提升呢?从遗传上讲,高秆变矮秆,实际上就是一个基因的突变,Sd1。矮秆水稻由于它对肥料不是太敏感,也就是说:你施肥,它不至于倒伏,所以这时候施肥,产量就会提高。


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结果呢?我们看上世纪绿色革命以前,1958年~1963年,我们平均每施一公斤纯氮,能够增产15~20公斤的稻谷;但是到80年代,我们每施一公斤纯氮,就增产9.1公斤稻谷;然而现在呢,我们每施一公斤纯氮大概增产5公斤。为什么会出现这种局面呢?因为矮秆品种对氮肥不敏感,所以农民就有一种观念:“施肥越多,产量越高”。这时候育种家也会有一个观念:“我要适应农民的需求或者适应市场需求,培育耐肥品种,这样农民就可以拼命施肥。”


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我们可以看到,第一次绿色革命导致化肥利用效率大幅度降低。我们再来看一组数据,1950年~2010年六十年间,我国粮食产量增加4.13倍,但化肥用量增加了多少?100倍。


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大家可以看这张图 ,红色部分,2015年我国施肥6000万吨,占全世界化肥总产量的33%。


我们经常讲:我们用8%的耕地面积,养活了19%的人口。但我们很多人可能不知道:我们用8%耕地面积,也消耗了世界上33%的化肥。


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我们国家的化肥利用率30%,只有发达国家的一半左右,那么,其余70%上哪了?


其余的化肥很大一部分,流失到江、河、湖、海,不同的水体里,这就是我们经常看到的水体富营养化污染。


还有一部分,以氮氧化物和氨的形式挥发到大气中。氮氧化物,我们很多人都耳熟能详,因为雾霾的组成成分是:氮氧化物,二氧化硫和可吸入颗粒物。也许大家不知道,这里面还有一个被忽略的雾霾的真正元凶,就是吸附在可吸入颗粒物上的铵。


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有统计数据表明,在轻污染天,硫酸铵和硝酸铵的质量浓度总和占PM2.5的20%;在重污染天可以高达40%~60%。你可以想象,我们吸入的可吸入颗粒物,如果含有40%~60%的铵是什么状况?


还有一组数据,京津冀地区,每年每平方公里的氮沉降是多少呢?6.1吨,氮沉降的主要成分是铵。那么铵主要从哪来的呢?40%是来源于化肥污染,我们经常发现,汽车也停了,工厂也关了,但是雾霾照旧。


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除了前面说的污染以外,生产一吨的氮肥,我们还需要消耗2.8吨的优质煤,1600度电能,同时造成大概2.5吨的碳排放。我们可以看到,氮肥的生产,实际上也是一个高耗能,高污染的行业。


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从前面这些数据,我们可以感觉到,以前我们讲的绿色革命,从生态和环保角度讲,其实并不“绿色”。


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1999年,我们国家三位科学家,就想能否改变这种局面,有没有可能通过品种的培育,在提高产量的同时,大幅度减少化肥和农药的投入,他们提出“少投入,多产出,保护环境的”新绿色革命理念。


如果我们要实现这一宏大目标,首先就要知道,如何从植物中找到控制氮肥利用效率的基因。


水稻95%是种植在亚洲,亚洲栽培稻有两个主要亚种:一个叫籼稻,一个叫粳稻。我们很多朋友知道,籼稻种植在南方,粳稻种植在北方,所以籼稻和粳稻,温度的耐受性,还有株型,口感都不一样。东北大米,北方人都喜欢吃,南方主要是杂交米,口感也不一样。


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2001年,当时我回国没多久,在与育种家交流的时候,育种家告诉我一个非常令我吃惊的现象:籼稻和粳稻之间有一个非常大的区别,就是肥料的利用效率。籼稻比粳稻氮肥利用效率要高30%~40%。我们就想,能不能通过一种新的技术,让粳稻具有像籼稻一样的氮肥利用效率呢?这样,在相同的产量下,就可以减少30%~40%的化肥施用。

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我们团队经过十五年的努力,克隆的第一个基因叫NRT1.1B,解开了籼粳稻间氮肥利用效率差异之谜。


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我们把籼稻的NRT1.1B,通过杂交转育的方法转到粳稻里以后,就可以实现粳稻“氮肥减半而产量不减”。


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我们不禁要问,为什么籼稻有氮高效基因,育种可以选育出来,而粳稻没有呢?


我们就对籼稻和粳稻的野生稻祖先的NRT1.1B,进行跟踪分析,在籼稻的野生稻祖先中,含有两种基因型,也就是说有两种突变类型,一种是氮高效的,一种是氮低效的。在我们育种选择过程中,我们先民不停地选择,差不多一万年,把氮高效的选出来了。当我们去看粳稻野生稻祖先时,它只有一种氮低效类型,那么你可以知道,因为它没有氮高效的,无论你选多长时间,一百年、一千年或者一万年,它还是氮低效的。


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这一结果给我们一个非常好的启示:我们育种,从野生稻到农家品种,从农家品种到现代品种,经过上万年的时间,在选择过程中,我们丢掉了很多基因。

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我们不禁要问:在近一百年现代育种中,特别是当我们大量施肥,去筛选耐肥品种时,是不是把一些氮高效的基因丢掉了呢?如果是,我们能不能通过现代技术,把这些现代品种中丢掉的氮高效基因从早期的农家品种中找回来,去改良现代品种?


那样,我们最重要的就是要找到那些在氮肥大量施用之前的农家品种!



我们得知,美国农业部在过去一百年期间,从全世界116个种植水稻的国家,收集了18412个水稻品种,这些水稻品种绝大部分都是农家品种,也就是在大量施肥之前的品种。当然一万多种太多,很难去操作,所以,通过分析田间表型和标记,把18000多种逐步减少到203种,我们叫水稻的微核心种质资源。


微核心种质资源,也可以代表全世界不同地方的水稻多样性。这张地图大家可以看到,是203份品种的不同类型,以及在全世界的分布情况。


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我们和华大基因合作,把所有的水稻品种进行了全基因重测序。因为我们知道,表型都是由基因决定。从这张图上可以看到,而基因组的组成就四个碱基 A、G、C、T,而哪些编码氮高效基因,我们是不清楚的。


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为此,我们和华南农业大学的廖红教授合作,把这些品种都种植在含不同氮的田里:低氮、中氮、高氮,去看它们的产量要素变化情况。然后把基因型和表型,通过计算生物学和群体遗传学,结合其他的多重组学去关联,看在水稻染色体什么位置存在氮高效基因。


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非常令人兴奋的是,我们在第六染色体上发现一个非常明显的信号,这就是TCP19氮高效基因。


通过对所有水稻品种TCP19序列比较发现,TCP19基因可分成两种类型,氮高效类型和氮低效类型。


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所有品种在田间我们都种过,种了以后,把TCP19氮高效类型或氮低效类型,和田间的表型去关联,我们就发现,含氮高效类型TCP19基因的水稻,在田间产量性状要好,含氮低效TCP19基因的水稻在田间产量要差,两者是高度关联的。

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这时候我们就想,把氮高效的基因通过杂交转育方法,转育到含氮低效基因的品种中。我们可以看到,在低氮和中氮条件下,品种改良的含氮高效基因的水稻产量可以提高20%~30%。



这是一张亚洲地图,大家看到上面有蓝色、红色、紫色,不同的颜色代表土壤里氮的含量不同,蓝色越深,代表土壤中氮含量越低;红色越深,代表土壤中氮含量越高。你可以看到,在印度、巴基斯坦、孟加拉国是蓝色,中国华南地区是红色,东北和日本是紫红色,也就是说,不同区域土壤含氮量是不一样的。


如果把这些地区的不同基因型(氮高效基因型,氮低效基因型)的水稻,进行分析后,放在这个地图上,你就可以惊喜地发现:在印度、孟加拉、巴基斯坦,含氮高效的水稻品种是96%;到中南半岛70%;到印度尼西亚、马来西亚30%;到中国华南地区 7%;到了中国东北和日本,氮高效品种仅仅是5%。这说明什么呢?说明土壤氮含量越低,氮高效品种越高,土壤氮含量越高,氮高效品种越低,也就是说,含氮高效TCP19水稻比例和土壤氮含量呈负相关。


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如果我们进一步把这些细分到不同的国家,你就发现非常有意思的现象,在孟加拉国,氮高效品种占81%,马来西亚78%,印度尼西亚77%,到美国21%,到韩国、日本6.7% ,中国6.5%。也就是说像中国、韩国、日本、美国等施肥越多(土壤含氮量高)的国家,氮高效品种越低,施肥越少,氮高效品种越高。

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这项工作,今年元月六日发表在《Nature》上面,这项工作发表以后,引起国内外媒体的广泛关注。


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我们进一步和著名的育种家姚海根合作,把刚才我们讲的这些氮高效基因转育到现在栽培的主栽品种中。


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2017年,我们把这些改良品种送到华中农业大学,由著名的栽培学家彭少兵教授去栽培。你可以看到,早期种下去是看不到差别的,这是把肥料从每公顷180公斤减少到100公斤,就是减掉44%的氮肥,到后期你可以看到,在减氮条件下,没有改良的品种叶片变黄,而改良的这几个材料叶片还是深绿的,最后收获的时候就可以看到,改良的水稻品种产量可以折合,每公顷9.22~10.17吨。我可以告诉大家,我们国家平均每公顷水稻产量是7吨。


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2018年,他们又重复了这个试验,这是一个航拍图,在三块不同的田里面可以看到,红色是我们送去的改良品种,它呈现深绿色,那么每公顷也可以达到10.6~11.7吨。


氮高效改良的水稻,在减氮44%的情况下,产量还可以达到9.2~11.7吨,这给我们非常大的一个希望。


2019年,我们这三个品种,被科技部重大专项组认定为首批"绿色超级稻"品种。


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大家设想一下,我们国家每年种植水稻4.6亿亩。每亩施化肥平均在20~25公斤,那么每年化肥投入大概是450亿人民币。如果我们能够减30%化肥,那就意味着,我们可以减少130亿元人民币的化肥投入,同时可以减少很多的污染源。


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还有重要一点,想提醒大家,刚才我们讲的是在减肥的条件下,实际上产量并没有显著的降低。我们也可以提醒我们的农民朋友,不需要大量施肥,不是肥料施的越多,产量越高。


所以只有我们配合起来,从品种到栽培结合起来,我们就可以真正做到,少投入,多产出,保护环境。也可以通过这种方法,通过科学,造福全人类。


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实验室发表的营养方面代表性研究论文(*Corresponding authors)

1. Wang X#, Feng C#, Tian L#, Hou C, Tian W, Hu B, Zhang Q, Ren Z, Niu Q, Song J, Kong D, Liu L, He Y, Ma L, Chu C*, Luan S*, Li L* (2021) A transceptor-channel complex couples nitrate sensing to calcium signaling in Arabidopsis. Mol. Plant. doi: 10.1016/j.molp.2021.02.005.

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Recommended by F1000 Prime. Doi: 10.3410/f.725540326.793508312.

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Selected for F1000 Prime. doi: 10.3410/f.718460121.793520007.



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