上世紀(jì)60年代，以半矮化育種為特征的“綠色革命”使得全世界糧食產(chǎn)量翻倍增長，但其產(chǎn)量增加高度依賴化肥的大量投入。在當(dāng)今時(shí)代，資源環(huán)境約束已成為全球面臨的重大挑戰(zhàn)，如何在減少化肥用量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)谷物產(chǎn)量持續(xù)增長，已成為推動(dòng)“新一輪綠色革命”必須攻克的核心科學(xué)難題。

2025年10月29日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東團(tuán)隊(duì)在Nature Genetics雜志在線發(fā)表了題為Precise control of chromatin loop extrusion enhances sustainable green revolution yield in rice的研究論文，首次揭示了通過精確重塑染色質(zhì)三維構(gòu)象來協(xié)同提升水稻產(chǎn)量與氮肥利用效率的新機(jī)制，為培育“少投入、多產(chǎn)出”的新綠色革命品種提供了全新的理論依據(jù)與實(shí)現(xiàn)路徑。這是該團(tuán)隊(duì)在

Nature Genetics

傅向東團(tuán)隊(duì)長期從事作物高產(chǎn)與氮高效協(xié)同機(jī)制及其設(shè)計(jì)育種研究，率先揭示“綠色革命”高產(chǎn)品種中DELLA蛋白的積累是導(dǎo)致其氮肥利用效率低下的關(guān)鍵原因，并系統(tǒng)闡明了GRF4-DELLA-NGR5分子模塊通過協(xié)同調(diào)控光合作用、氮代謝和植物生長，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與氮高效協(xié)同提升的機(jī)制（Nature，2018；Science，2020）。此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的高產(chǎn)和氮高效基因 DEP1，為在減氮條件下實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了關(guān)鍵遺傳資源（Nature Genetics，2009；2014）。在前期破解碳氮代謝高效協(xié)同理論的基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步引入“源-庫”代謝流重編程的概念， 提出“增源”是高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，“擴(kuò)庫”是高收獲指數(shù)的結(jié)構(gòu)保障，二者協(xié)同優(yōu)化是突破當(dāng)前高產(chǎn)氮高效協(xié)同改良育種瓶頸的核心路徑。

該研究發(fā)現(xiàn)，位于水稻RCN2基因上游8765bp處的一個(gè)自然變異可顯著調(diào)控其表達(dá)水平。RCN2蛋白通過抑制DELLA-OsSPL14之間的互作，增強(qiáng)了OsSPL14對(duì)下游碳氮代謝及穗發(fā)育相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活能力，最終協(xié)同提升了作物產(chǎn)量、氮肥利用效率及收獲指數(shù)。為深入解析遠(yuǎn)端SNP調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制，研究對(duì)SNP所在的高GC含量基因間區(qū)序列進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)了串聯(lián)重復(fù)的CCCTC序列。CTCF（CCCTC binding factor）鋅指蛋白在動(dòng)物中非常保守，通過組織染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)參與基因表達(dá)調(diào)控與異染色質(zhì)擴(kuò)散，然而其在植物中的功能尚未見報(bào)道。

該研究首次在植物中鑒定出具有功能的絕緣子順式元件INS及其結(jié)合蛋白OsYY1，并證實(shí)在低氮環(huán)境誘導(dǎo)下OsYY1通過結(jié)合RCN2基因兩端的絕緣子INS序列，介導(dǎo)染色質(zhì)成環(huán)，從而抑制RCN2轉(zhuǎn)錄。進(jìn)一步利用基因編輯技術(shù)對(duì)局部染色質(zhì)構(gòu)象進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因空間表達(dá)模式及其環(huán)境適應(yīng)的定向優(yōu)化，協(xié)同增強(qiáng)了作物的“源”（碳氮代謝能力）與“庫”（籽粒儲(chǔ)存能力），為設(shè)計(jì)“綠色超級(jí)稻”提供了全新育種策略。值得強(qiáng)調(diào)的是，該研究聚焦于基因組非編碼區(qū)進(jìn)行定點(diǎn)編輯，有效規(guī)避了對(duì)蛋白質(zhì)編碼序列的改變，不僅拓展了基因編輯改良育種的靶標(biāo)范圍，也為克服基因“一因多效”導(dǎo)致的性狀權(quán)衡提供了新思路，即通過精準(zhǔn)調(diào)控染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)以優(yōu)化基因時(shí)空表達(dá)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)性狀間的協(xié)同改良。這一策略為未來作物設(shè)計(jì)育種確立了可借鑒的新范式。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉倩、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉慧、福建農(nóng)林大學(xué)孫麗莉和浙江理工大學(xué)汪得凱為該論文的第一作者，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東為通訊作者。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院青促會(huì)以及新基石項(xiàng)目的資助。

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02376-y