上世纪60年代，以半矮秆新品种培育为标志的“绿色革命”带来了全球谷物产量的大幅增长，目前这些半矮化、耐高肥、抗倒伏的品种类型在当代小麦和水稻作物育种中仍然占据主导地位。

但是，携带“绿色革命”基因的农作物中抑制植物生长的DELLA蛋白高水平积累，导致其对氮肥的响应较弱、氮肥利用效率下降，使得氮肥施用量逐年增加，环境破坏日益严重。

8月16日，国际著名学术刊物《自然》在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究团队关于植物生长与代谢协同调控分子机制的新发现。该项成果是中国科学院“分子模块设计育种创新体系”战略性先导科技专项的又一重要突破，有助于我们进一步深入理解植物氮代谢，从而培育“少投入、多产出”高产作物新品种，实现可持续的粮食安全。

                                                      GRF4提高水稻（小麦）氮肥利用效率和产量

傅向东研究团队在携带“绿色革命”基因的水稻资源材料中筛选到一个氮素吸收速率显著增加的新品系，通过QTL定位和图位克隆技术获得了控制水稻氮素吸收的关键基因GRF4。

GRF4之前就被证实是可能参与了赤霉素信号传递途径，对促进植物生长发育起到重要作用，只是具体分子调控机制不是很清楚。该团队的研究证实，GRF4基因编码一个植物碳-氮代谢的正调控因子，可以促进氮素吸收、同化和转运途径，以及光合作用、糖类物质代谢和转运等，进而促进植物生长发育。

“GRF4能与DELLA蛋白相互作用，实现植物叶片光合碳固定和根系氮吸收的协同调控，从而维持植物生长与碳-氮代谢平衡。”傅向东说，“这一新发现揭示了植物生长和代谢的耦合的分子机制。进一步的研究证实了可以利用优异等位基因GRF4培育水稻和小麦新品种，不仅提高其氮肥利用效率，同时还可保持其优良的半矮化和高产特性。”

GRF4新功能的发现不仅丰富了我们对于赤霉素信号传递通路的认识，而且从分子水平阐明了“绿色革命”矮杆育种伴随氮肥利用效率低下的原因，并提出了明确的解决方案。名古屋大学松冈信教授评论认为，这项发现为“少投入、多产出、保护环境”的绿色高产高效农作物分子设计育种奠定了理论基础，并提供具有重要育种利用价值的新基因资源。

背景资料

中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究团队长期致力于农作物减肥增产方面的研究。截至目前，实验室克隆并报道了多个水稻高产基因，包括dep1、GW8、GW7、NPT1/OsOTUB1、LGY3/OsMADS1。其中优异等位基因dep1不仅在当前高产水稻育种中得到了广泛应用，而且该基因还被证实在提高水稻氮肥利用效率方面发挥了重要作用。

氮是促进植物生长和发育的必需的大量营养元素之一，占植物干重的1.5-2%以及植物总蛋白的16%，是氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素、激素等的组成成分。氮肥是农业生产中需要量最大的化肥品种，它对提高作物产量、改善农产品的质量有重要的作用。在农业生产中，施用氮肥一直是作物高产的重要措施之一，但是随着氮肥施用量的增加，植株迅速长高易倒伏反而会导致减产。

20世纪60年代，以“半矮秆高产新品种育种”为标志的“绿色革命”带来了全球谷物产量的大幅增长，目前这些矮化抗倒伏的品种类型在当代小麦和水稻作物育种中仍然占据主导地位。但是，携带“绿色革命”基因的农作物中DELLA蛋白较高水平积累，对氮肥的响应较弱、氮肥利用效率下降，从而导致氮肥施用量逐年增加。一般来讲，施用的氮肥中只有少量会被植物所吸收，大部分的氮肥则被释放到大气或流失到水体中，不仅对环境造成了越来越严重的影响，而且增加了农民的经济负担，因此如何在氮肥施用量和作物收获指数之间寻找新的平衡点，培育具有较高氮肥利用效率的新“绿色革命”品种，成为了寻求可持续农业发展的当务之急。

注本文来自中国科学院遗传与发育研究所，略有修改。