面對人口增長，育種的首要目標是高產，推動水稻第一次綠色革命的矮稈育種，使之能在大量施用化肥情況下，植株不會過高而造成倒伏，從而在高肥下獲得較高產量。然而，長期高肥下的育種導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種肥料利用效率普遍較低。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所儲成才研究組對過去100年間收集于全球不同地理區(qū)域52個國家（地區(qū)）的110份早期水稻農家種進行了全面的農藝性狀鑒定，發(fā)現不同氮肥條件下，在眾多農藝性狀中，水稻分蘗（分枝）氮響應能力與氮肥利用效率變異間存在高度關聯。研究組利用全基因組關聯分析技術鑒定到一個水稻氮高效基因OsTCP19，其作為轉錄因子調控水稻分蘗。

進一步研究發(fā)現，OsTCP19上游調控區(qū)一小段核酸片段（29-bp）的缺失與否是不同水稻品種分蘗氮響應差異的主要原因。氮高效品種OsTCP19調控區(qū)缺失該29-bp核酸序列，氮響應負調控因子LBD蛋白可以高效結合在該位點附近并抑制OsTCP19轉錄表達。通過多重轉錄組學分析，OsTCP19作為轉錄因子抑制分蘗促進基因DLT的表達，進而實現對水稻分蘗發(fā)育的調控。該研究揭示了氮素調控水稻分蘗發(fā)育過程的分子基礎。

這一關鍵氮高效基因的鑒定依賴于一個多樣性的“農家種”水稻群體資源。這些農家種是在現代高產水稻品種推廣之前，也就是氮肥大量施用之前，世界各地農家種植的本地品種。世界各地氣候土質的差異造就了農家品種豐富的遺傳多樣性。研究通過對水稻種子庫中這些“古早”的水稻品種開展基因遺傳分析，最終定位了基因組上這一關鍵變異。通過對世界水稻種植區(qū)土壤氮含量數據分析，研究發(fā)現，土壤越貧瘠的地方，OsTCP19氮高效變異越常見，并隨著土壤氮含量的增加，氮高效類型品種逐步減少，而我國現代水稻品種中這一氮高效變異幾乎全部丟失。將這一氮高效變異重新引入現代水稻品種，在氮素減少的條件下，水稻氮肥利用效率可提高20%-30%，也就是說，在水稻生產中，使用更少的化肥，也能達到相同的產量。

除了氮肥施用所帶來的環(huán)境影響，氮肥生產本身也是高能耗、高污染行業(yè)。統(tǒng)計表明，生產1t氮肥需2.8t優(yōu)質煤及1600度電能，造成2.5t碳排放。我國爭取在2060年前實現碳中和，而農業(yè)領域的節(jié)能減排，特別是減少化肥的施用至關重要。該研究成果為實現這一目標提供了全新的思路。

2021年1月6日，《自然》以article報道了這一研究成果。遺傳發(fā)育所博士劉永強、汪鴻儒為論文的共同第一作者，青年研究員胡斌、研究員儲成才為論文的共同通訊作者。研究工作到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、科學技術部G2P基礎研究項目和廣東省基礎研究重大專項的資助。