近日，我國科學(xué)家通過基因編輯精準(zhǔn)調(diào)控根瘤數(shù)量，實(shí)現(xiàn)碳氮平衡的高效固氮，從而在大田種植條件下大幅提高大豆產(chǎn)量和蛋白含量。他們同時(shí)提出“優(yōu)化結(jié)瘤固氮促進(jìn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)”的精準(zhǔn)育種新思路。相關(guān)研究發(fā)表于《自然-植物》（Nature Plants）。
論文通訊作者、廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授關(guān)躍峰表示，我國大豆80%以上依賴進(jìn)口，造成供需矛盾的重要因素之一，是中國大豆單產(chǎn)水平與美國、巴西等主產(chǎn)國有較大差距。培育高產(chǎn)高油高蛋白且環(huán)境友好的大豆新品種，是保障糧食安全的重要途徑。
據(jù)介紹，大豆育種中，產(chǎn)量和蛋白質(zhì)存在難以克服的負(fù)相關(guān)性，過去以產(chǎn)量為目標(biāo)的大豆育種往往導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量顯著下降，成為困擾高產(chǎn)高蛋白高油大豆育種的瓶頸。與此同時(shí)，大豆能通過結(jié)瘤固定空氣氮素，是環(huán)境友好型作物。然而過去發(fā)現(xiàn)的超級結(jié)瘤大豆，均因碳氮失衡而產(chǎn)量下降，導(dǎo)致 “大豆多結(jié)瘤會減產(chǎn)”的思維定勢，因此育種中普遍忽視對生物固氮的遺傳改良。
基因編輯可快速精準(zhǔn)修飾植物內(nèi)源基因，而不轉(zhuǎn)入任何外源基因，是近年快速發(fā)展的育種技術(shù)。本研究通過基因編輯創(chuàng)制了根瘤數(shù)量不同程度改變的各種大豆突變體（nin-4m，ric1b/2b，ric1a/2a，ric-6m和nark），發(fā)現(xiàn)超級結(jié)瘤大豆突變體ric-6m和nark生物量減少，而根瘤增加1倍的ric1a/2a突變體生物量顯著增加。同位素示蹤等實(shí)驗(yàn)表明，ric1a/2a根瘤數(shù)量適當(dāng)提高，不僅增加生物固氮作用，還通過氮素促進(jìn)了葉綠素含量，增強(qiáng)大豆光合效率，最終達(dá)到碳氮協(xié)同促進(jìn)。ric1a/2a中適當(dāng)增加的根瘤并未像超結(jié)瘤突變體一樣消耗過多碳源，因此維持了碳氮平衡。
研究人員在福建、河北等地開展了多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)，與底盤國審品種華春6相比，ric1a/2a的小區(qū)產(chǎn)量顯著提升10-20%以上，而蛋白質(zhì)含量穩(wěn)定提高1-2個(gè)百分點(diǎn)，且不顯著降低含油量。這歸因于ric1a/2a中轉(zhuǎn)運(yùn)到種子的碳源與氮源協(xié)同提升，因此實(shí)現(xiàn)協(xié)同增加產(chǎn)量和蛋白質(zhì)的生物育種。
該研究通過基因編輯等生物育種手段優(yōu)化大豆結(jié)瘤固氮，有望成為提升大豆單產(chǎn)和品質(zhì)，并促進(jìn)綠色種植的重要途徑，對打好大豆種業(yè)翻身仗有重要意義。
上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、福建農(nóng)林大學(xué)杰出青年科研人才計(jì)劃、河北省自然科學(xué)基金、國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、中國科學(xué)院青年基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的資助。
