Después de años de experimentos de campo en múltiples sitios, los investigadores mejoraron la expresión del gen OsDREB1C en el arroz "Nipponbare" y aumentaron el rendimiento entre un 41,3 y un 68,3% en comparación con el arroz de tipo salvaje en "Xiushui 134". "Arroz, el rendimiento aumentó en comparación con el arroz de tipo salvaje. 30.1-465438. Qian Qian, director del Instituto de Cultivos de la Academia China de Ciencias Agrícolas y académico de la Academia China de Ciencias, comentó que los resultados del "gen de alto rendimiento del arroz" publicados esta vez proporcionan importantes recursos genéticos y más posibilidades de aplicación productiva para el siguiente paso de la investigación científica.
En comparación con los fenotipos de campo del material de sobreexpresión (izquierda), el tipo salvaje (centro) y el material knockout (derecha), el material de arroz de sobreexpresión creció más rápido que el tipo salvaje bajo la luz. Foto cortesía de la Academia China de Ciencias Agrícolas
Un descubrimiento realizado hace siete años.
En 2014, un artículo en "Nature Biotechnology" atrajo la atención del equipo de Zhou Wenbin. Al comparar el maíz y el arroz, se descubrieron 118 factores de transcripción que regulan la fotosíntesis en el maíz.
Zhou Wenbin presentó que estos 118 factores de transcripción tienen genes homólogos uno a uno en el maíz y el arroz. Tanto el maíz como el arroz son pastos, pero sus rendimientos varían mucho. El rendimiento del maíz es mucho mayor que el del arroz, casi el doble. Esto se debe a que realizan la fotosíntesis de manera diferente. El maíz es un cultivo C4 y su característica más importante es que tiene mayor eficiencia fotosintética, eficiencia en el uso de nitrógeno y eficiencia en el uso del agua que los cultivos C3 (como el arroz y el trigo).
Estas funciones están estrechamente relacionadas con el rendimiento. La fotosíntesis asimila el dióxido de carbono del aire en materia orgánica y es la base de la biomasa y el rendimiento de los cultivos. El nitrógeno es un componente importante de la clorofila, las proteínas, los ácidos nucleicos y los metabolitos, y también es el principal factor limitante en la formación del rendimiento.
Lo que ha llamado la atención de los científicos es por qué existen enormes diferencias entre genes homólogos que también existen en el maíz y el arroz.
Dos equipos de investigación emprendieron la tarea de identificación preliminar, a saber, el Dr. Wei y el Dr. Li Xia, estudiantes de doctorado del Instituto de Ciencias de los Cultivos de la Academia China de Ciencias Agrícolas y el primer autor de este artículo.
Este ha sido un largo viaje de descubrimiento. Wei dijo a los periodistas que durante la identificación y el análisis continuos, se enfrentaron a darse por vencidos varias veces, pero persistieron hasta el final. El destino les favoreció e identificaron OsDREB1C, un factor de transcripción del arroz inducible por la luz y la escasez de nitrógeno.
Es este pequeño factor de transcripción el que puede ser una oportunidad para aumentar significativamente el rendimiento del arroz.
El alto rendimiento sigue siendo el objetivo más importante.
China tiene una población de 1.400 millones de habitantes, lo que representa alrededor del 19% del total mundial, pero la tierra cultivable de China es sólo alrededor del 7% de la del mundo. Han pasado menos de 40 años desde que este enorme país dijo verdaderamente adiós al hambre. Especialmente en los últimos años, el número de personas afectadas por el hambre en el mundo ha ido aumentando paulatinamente. El último informe "Seguridad alimentaria y nutrición mundial en 2022" señala que en 2021, el número de personas afectadas por el hambre en todo el mundo alcanzará los 828 millones y la seguridad alimentaria mundial enfrenta enormes desafíos.
Por lo tanto, el alto rendimiento sigue siendo una de las búsquedas más importantes en el mejoramiento agrícola, especialmente en el mejoramiento de cereales.
Zhou Wenbin presentó que en la década de 1960 comenzó la "revolución verde" mediante la selección de variedades semienanas, variedades híbridas y otras variedades, así como la mejora de la tecnología de cultivo y gestión, y el rendimiento de los cultivos. han aumentado significativamente.
Sin embargo, en los últimos años, este crecimiento está entrando en un período de meseta y el crecimiento de los rendimientos se ha vuelto lento. "Entre el 24% y el 39% de las superficies plantadas de maíz, arroz, trigo y soja del mundo están estancadas o incluso disminuyendo".
Al mismo tiempo, el uso extensivo de fertilizantes nitrogenados sigue siendo una de las medidas importantes para aumentar el rendimiento de los cultivos. Sin embargo, el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados no sólo es perjudicial para el aumento de la producción, sino que también traerá efectos negativos cada vez más evidentes, incluida la contaminación ambiental y el problema de la "madurez tardía y codiciosa". Entre ellos, el "verde codicioso y la madurez tardía" pueden afectar la siembra múltiple, afectando así el rendimiento general.
Las dificultades en la producción mundial de alimentos han hecho que sea cada vez más urgente aumentar significativamente el rendimiento de los cultivos y utilizar eficientemente los fertilizantes nitrogenados. Este también es un tema difícil y candente en la investigación científica agrícola actual.
El descubrimiento de OsDREB1C trae esperanza para resolver estos problemas.
Verificación in situ a largo plazo
Una vez completada la identificación, es un proceso de prueba más largo.
Zhou Wenbin dijo a los periodistas que el equipo de investigación seleccionó dos variedades para los experimentos. Uno es Nipponbare, que es un cultivo modelo en la investigación del arroz. Debido a que se ha secuenciado toda su secuencia genómica, es un excelente tema experimental. Otra variedad es "Xiushui 134", que se utiliza actualmente en producción. Se trata de una variedad de arroz japónica convencional con un rendimiento de hasta 600 kilogramos por mu.
Actualmente, Nipponbare, uno de los materiales experimentales, se está plantando en la base de investigación de Shunyi, Beijing. Aunque todavía se encuentran en la etapa de plántula, el crecimiento de los cultivos en los campos de arroz ya se puede distinguir a simple vista.
Zhou Wenbin dijo a los periodistas que mediante técnicas modernas de ingeniería genética, los investigadores construyeron materiales knockout y materiales de sobreexpresión y los compararon con tipos salvajes no operados.
Los resultados mostraron que el material de arroz que sobreexpresaba este gen crecía más rápido que el tipo salvaje bajo la luz, la tasa de fotosíntesis aumentó significativamente y la tasa de llenado del grano fue más rápida. Al mismo tiempo, en experimentos de campo, los investigadores también descubrieron que la eficiencia de la utilización del nitrógeno en los materiales sobreexpresados mejoraba significativamente. En los tres campos de prueba sin aplicación de nitrógeno, aplicación media de nitrógeno y aplicación alta de nitrógeno, en las condiciones de aplicación media de nitrógeno sin aplicación de nitrógeno, el rendimiento del material de sobreexpresión puede alcanzar o incluso superar el rendimiento del tipo salvaje.
“Se espera que logremos el objetivo de reducir el nitrógeno y aumentar los rendimientos”, afirmó Zhou Wenbin.
En Beijing, Hangzhou, Sanya y otros lugares, los investigadores han realizado experimentos de campo en múltiples sitios durante muchos años. Los resultados mostraron que después de que OsDREB1C se expresara en Japón, el rendimiento en el área de Beijing pudo aumentar significativamente y el rendimiento en la parcela aumentó entre un 41,3% y un 68,3%. Xiushui 134 puede aumentar la producción entre un 30,1% y un 41,6% en Hangzhou. Al mismo tiempo, ambos materiales experimentales tienen diferentes grados de efectos prematuros.
¿Una nueva forma de incrementar la producción de arroz?
Zhou Wenbin dijo que esta nueva investigación no sólo innova la teoría del alto rendimiento de los cultivos, sino que también confirma la posibilidad de que un gen regule múltiples funciones fisiológicas. OsDREB1C se sobreexpresa en el arroz y tiene el triple efecto de alta eficiencia fotosintética, alta eficiencia de nitrógeno y madurez temprana. Desempeña un papel importante en el aumento del rendimiento del arroz, la reducción del uso de fertilizantes nitrogenados y la solución de problemas prácticos de producción agrícola, como la escasez de cultivos durante los cultivos repetidos. Además, OsDREB1C también tiene la función conservada de alto rendimiento y madurez temprana del trigo, lo que le otorga un amplio potencial de aplicación y perspectivas de desarrollo.
Los tres revisores de este artículo afirmaron plenamente este hallazgo, uno de los cuales creía que "el efecto de aumento del rendimiento de este estudio es significativo, emocionante y potencialmente influyente. Si se aplica en la producción agrícola real, aumentará aún más promover la producción intensiva continua de arroz."
Wan Jianmin, ex vicepresidente de la Academia China de Ciencias Agrícolas y académico de la Academia China de Ingeniería, dijo: "El descubrimiento de este gen nos proporciona una La generación de nuevos materiales de investigación y recursos genéticos también nos brinda posibilidades ilimitadas, pero el siguiente paso requiere una organización científica para acelerar las aplicaciones de mejoramiento". Yang Ye, académico de la Academia de Ciencias de China, dijo: "Este es el resultado de La investigación del arroz en China. Este es otro descubrimiento importante en la investigación científica, que proporciona importantes recursos genéticos para cultivar variedades de cultivos de mayor rendimiento, uso eficiente del nitrógeno y maduración temprana”.
Sin embargo, todavía hay algo que hacer. Hay un largo camino por recorrer desde un nuevo descubrimiento hasta una aplicación real. Qian Qian, director del Instituto de Investigación de Cultivos de la Academia China de Ciencias Agrícolas y académico de la Academia China de Ciencias, dijo que el descubrimiento de este gen "es de hecho un nuevo amanecer para el mejoramiento genético. En el futuro, es aún más "Es necesario poner la teoría en práctica lo antes posible y realizar aplicaciones a mayor velocidad".