上世纪中期，一些发达国家和墨西哥、菲律宾、印度、巴基斯坦等许多发展中国家掀起“绿色革命”，通过“矮化基因”培育和推广矮秆、耐肥、抗倒伏的高产水稻、小麦、玉米，全世界水稻产量增加了 1 倍；本世纪，由袁隆平院士主导培育的杂交水稻大面积推广应用，实现了 20% 以上的增产。
然而，这些数字远远不足以解决现在的问题。2021 年，全世界仍有 7.02 亿至 8.28 亿人面临饥饿。
近年来受新冠肺炎疫情、极端气候、地缘冲突等影响，粮食供应链不再稳定，全球饥饿人口持续上升；考虑到人口持续增长，预测到本世纪中叶，粮食产量至少增加 50~60% 才能满足需求；肉类消费的增加以及用于非食品和非饲料目的的作物的广泛使用也额外增加了全球粮食生产的压力；与此同时，虽然施用氮肥是促进农作物增产的重要措施之一，然而近年来，氮肥的过量施用不仅没有带来作物产量的持续提高，反而导致了严重的环境污染问题，如土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等。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。
因此，为了实现所需的粮食增产并使农业具有可持续性，通过育种和基因工程以获得具有更高光合能力和更高氮利用效率（NUE）的新作物品种迫在眉睫。然而，这一过程进展缓慢，主要是由于人们对可能协调优化碳同化和氮利用的调节基因了解有限。
近日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬团队在水稻中发现的高产基因（OsDREB1C），能够同时提高光合作用效率和氮素利用效率，可提高作物产量 30% 以上。这项成果于北京时间 2022 年 7 月 22 日发表在 Science，题为“A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice”。
Science 论文评审专家认为，该团队出色地完成了大量的田间试验工作，包括不同作物、不同地点的多年田间试验，呈现了全面而可靠的实验结果。如果将其应用到实际农业生产中，必将进一步推动水稻等作物可持续集约化生产。
碳和氮是植物生长发育必需的最主要营养元素，也是细胞的主要构成成分。
一方面，植物通过地上部叶片进行光合作用，将大气中的二氧化碳同化为有机物，完成碳的固定，是作物生物量和产量形成的基础；另一方面，植物通过地下部根吸收氮素，也是作物产量形成的关键限制因子。
如何在提高作物光合作用效率的同时，提高氮素利用效率、促进作物碳氮代谢协同，从而实现作物高产高效，是当前农业科学领域重要的科学问题之一。为此，科学家对比研究了产量相对于水稻、小麦更高的玉米等作物。
2014 年，发表在 Nature Biotechnology 的研究鉴定到了 118 个玉米和水稻共有的与光合作用过程密切相关的转录因子——周文彬便从此着手。他在接受《中国科学报》采访时说，“我们站在前人的肩膀上，以这 118 个转录因子为切入点，逐一分析它们在水稻中光照条件和低氮条件的诱导表达情况，鉴定到一个同时受光和低氮调控的转录因子 OsDREB1C。”
可想而知，这是一件极具挑战性的工作。“只要有 1% 的希望我们就要尝试。”为了验证这个基因的功能，周文彬带领团队进行了不同作物、不同地点的多年田间试验。
复杂的生物过程，如植物的生长和发育，通常在转录因子的控制下，转录因子调节大量基因的表达，并以级联的方式激活从属转录因子。
在项工作中，研究人员筛选了这 118 个候选转录因子对水稻光和氮供应的响应性，从而鉴定出一种 DREB（脱水反应元件结合）家族成员 OsDREB1C，其表达是由光和低氮状态诱导的。
实验表明，OsDREB1C 驱动功能多样化的转录程序，决定光合能力、氮利用和开花时间。OsDREB1C 基因过表达水稻的田间试验显示，水稻产量提高了 41.3% 至 68.3%。此外，该基因过表达还缩短了生长时间、提高了氮素利用效率、促进了营养的有效配置，从而为实现农业生产力的急需的提高提供了策略。
▲图 | OsDREB1C 协调产量和生长持续时间（来源：论文[1]）
“'吃’的更多，'喝’的更多，'消化’很好，应该是它导致高产的原因。”周文彬接受《中国科学报》采访时说，该研究进一步探明了 OsDREB1C 基因的调控机制——它在植物体内起到“分子开关”的作用，分别与作用于光合作用的碳同化基因、氮素吸收转运基因以及开花途径基因等多个下游靶基因直接结合，并激活转录，提高相关基因的表达水平，进而协同调控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期等三个生理过程，实现高产早熟、绿色高效。
不过，周文彬强调，从实验室到农田，还有很多工作要做。下一步，该团队将深入开展该基因在主要粮食作物（包括玉米、大豆）中的功能和作用机制研究，并评估其抗逆性及田间产量性状，探索高产早熟新品种大田生产模式，加快突破制约作物单产水平快速提升的瓶颈。
Science 同期刊发的牛津大学 Steven Kelly 博士撰写的文章“The quest for more food”，对该工作给予了高度评价。该文章称，“这突出表明，大量的潜在的、具有增强光合作用的能力还隐藏在植物基因组中；即使在已经过数千年育种改进的植物中也大量存在。”
中国工程院院士万建民说，该研究的重要性不仅在于发现单一基因可同时调控多个重要生理途径，打破长期存在于农业生产中“高产”与“早熟”之间的矛盾；同时，OsDREB1C 基因在不同作物中的保守性功能使其具有巨大的应用前景与发展潜力，对推动农业可持续集约化生产具有重要意义。
中国科学院院士杨维才认为，这个基因的发现无疑具有重要的科学价值和应用前景，其应用将实现对水稻和其他作物的改良，并为保障国家粮食安全、生态安全做出更大的贡献。
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