科學家精準改良結瘤固氮大幅提高大豆產量和品質

近日，我國科學家通過基因編輯精準調控根瘤數量，實現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量和蛋白含量。他們同時提出“優化結瘤固氮促進高產優質”的精準育種新思路。相關研究發表于《自然-植物》（Nature Plants）。

論文通訊作者、廣州大學生命科學學院教授關躍峰表示，我國大豆80%以上依賴進口，造成供需矛盾的重要因素之一，是中國大豆單產水平與美國、巴西等主產國有較大差距。培育高產高油高蛋白且環境友好的大豆新品種，是保障糧食安全的重要途徑。

據介紹，大豆育種中，產量和蛋白質存在難以克服的負相關性，過去以產量為目標的大豆育種往往導致蛋白質含量顯著下降，成為困擾高產高蛋白高油大豆育種的瓶頸。與此同時，大豆能通過結瘤固定空氣氮素，是環境友好型作物。然而過去發現的超級結瘤大豆，均因碳氮失衡而產量下降，導致 “大豆多結瘤會減產”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修飾植物內源基因，而不轉入任何外源基因，是近年快速發展的育種技術。本研究通過基因編輯創制了根瘤數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），發現超級結瘤大豆突變體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。同位素示蹤等實驗表明，ric1a/2a根瘤數量適當提高，不僅增加生物固氮作用，還通過氮素促進了葉綠素含量，增強大豆光合效率，最終達到碳氮協同促進。ric1a/2a中適當增加的根瘤并未像超結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田間試驗，與底盤國審品種華春6相比，ric1a/2a的小區產量顯著提升10-20%以上，而蛋白質含量穩定提高1-2個百分點，且不顯著降低含油量。這歸因于ric1a/2a中轉運到種子的碳源與氮源協同提升，因此實現協同增加產量和蛋白質的生物育種。

該研究通過基因編輯等生物育種手段優化大豆結瘤固氮，有望成為提升大豆單產和品質，并促進綠色種植的重要途徑，對打好大豆種業翻身仗有重要意義。

上述工作得到國家重點研發計劃、福建農林大學杰出青年科研人才計劃、河北省自然科學基金、國家大豆產業技術體系、中國科學院青年基礎研究等項目的資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-024-01696-x