中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员通过全基因组关联分析，在水稻中发现了一个高效氮基因ostcp19。他们发现，土壤越贫瘠，水稻中的高效氮基因ostcp19就越普遍。然而，随着土壤含氮量的增加，具有氮素高效基因的水稻品种逐渐减少，而我国现代水稻品种几乎全部丧失了这种氮素高效变异。这项研究成果发表在1月7日的《自然》杂志网络版上。

氮效率基因：氮利用效率的控制者

自20世纪60年代初以来，全球粮食产量持续增加，为全球粮食安全提供了基本保障。据联合国粮农组织统计，截至2018年底，世界小麦、水稻、玉米年粮食总产量达到26.6亿吨，是1961年的3.6倍。

“在全球耕地面积仅增加15.5%的情况下，粮食增产的主要动力是大规模施用化肥，其中大部分是氮肥。”本文通讯作者、遗传与发育生物学研究所研究员褚成才，中国科学院院士说。

然而，过量施用化肥不仅会污染大气、土壤和水体，而且会给农业的可持续发展带来巨大的环境压力。

同时，面对人口的爆炸式增长，育种的首要目标是长期高产。矮秆育种促进了水稻的第一次绿色革命，使水稻在高肥条件下获得更高的产量，而不因株高而倒伏。”但是，长期的高肥育种导致了一些重要基因资源的流失，导致水稻主要品种肥料利用效率低下。

为解决这一问题，研究人员收集了近百年来世界不同地理区域52个国家（地区）的110个早稻品种，进行了综合农艺性状鉴定。他们发现，在许多农艺性状中，由土壤含氮量变化引起的分蘖（分枝）数变化与氮效率基因高度相关。利用全基因组关联分析和多重重组技术，研究人员发现了一个水稻氮素高效基因ostcp19，它是调控水稻分蘖的关键调控因子。

也就是说，氮素对水稻分蘖发育的调控是通过氮素高效基因ostcp19实现的。我们的研究结果揭示了氮素调控水稻分蘖发育的分子基础。

这一关键的氮素高效基因的鉴定依赖于不同的水稻群体资源。在现代水稻高产品种推广之前，即大规模施用氮肥之前，这些农家品种都是世界各地农民种植的地方品种。

通过对水种子库中这些“古早”水稻品种的基因分析，研究人员最终定位并鉴定了基因组中的这一关键变异。有趣的是，水稻品种中有许多氮高效基因起源于贫瘠的土壤，而现代栽培水稻品种中大部分基因缺失。

褚成才自信地说：“如果将这种氮效率基因重新导入现代水稻品种，在降低氮素的条件下，水稻的氮素利用效率可以提高20%-30%，也就是说，在水稻生产中，用较少的化肥就能达到同样的产量。”

褚成才说，我国将力争到2060年实现碳中和，农业节能减排，特别是减少化肥的使用至关重要。这一研究成果为实现这一宏伟目标提供了新的思路。

英国约翰·因纳斯研究所所长桑德斯教授评论说，“真正的开创性工作”不仅对理解植物（水稻）氮素利用的调控机制具有重要意义，而且对减少化肥的使用也具有重要意义。”

费尼说：“这项出色的研究告诉我们，通过追溯我们的育种历史，了解现代集约农业的适应性改良，我们可以找到在不牺牲粮食产量的情况下减少肥料投入的解决办法。”德国马普尔研究所分子植物生理学教授在其综述文章

华中农业大学教授、倡导“绿色超级稻”概念的张其发院士认为，本研究进一步分析了水稻氮素利用效率的分子机理，为培育“绿色超级稻”提供了新的基因，有望在增产的同时减少施肥。