傅向东：绿色革命，叩开人类与作物共同追求的未来之门( 四 )

前面我们提到了绿色革命，实现了矮化高产，但是却带来了一个氮肥利用效率的弊端，那么我们能不能够通过增加氮代谢的基因来克服弊端？其实我们的研究发现，如果把握那些调控氮吸收转运和同化的基因，提高它们表达以后，的的确确能够提高水稻产量，也能够提高氮肥利用效率，但是它却导致了植物的株高变高，带来了倒伏的风险。
在生产上，它不能够被育种家，也不能够被农民所接受，所以矮化高产与氮肥高效利用，就如鱼和熊掌不能兼得。
怎么样才能够使鱼和熊掌兼得？这就需要我们一种新的研究思路。育种家一直在探索水稻育种的新策略，他们希望通过“增源扩库”的协同改良来实现水稻产量的突破。
大家知道光合作用，氮素代谢，这是农作物高产形成的物质基础，氮肥利用效率不仅仅与氮素利用本身有关，而且还受光合作用影响，也与植物生长发育过程密切相关，那就需要我们将光合作用、氮代谢和植物生长发育作为一个统一整体的新研究方法来研究氮肥利用效率。
大家都知道胖的人不一定吃的多，瘦的人也不一定吃的少，其实水稻也一样。我们发现水稻的光合作用和氮的利用效率，在个体之间存在非常大的差异。我们在低肥的条件下去种植不同的水稻品种，有些品种就长得郁郁葱葱，生长非常好，而有些品种就长的非常弱，叶片也发黄。我们团队就系统分析了1000多份水稻材料的氮的吸收和同化能力，同时也通过大田的实验去看看氮肥的生产效益。
我们就发现一个非常有趣的结果，其实水稻的氮吸收能力与它产量没有直接的相关性，也就是说很多高产品种，包括我们现在大家所熟悉的超级水稻，它的产量很高，但是它的吸肥能力并不是很强，反而是一些农家品种，产量并不怎么样，现在也不种了，反而它们的吸肥能力非常高。
所以我们利用这些农家非常高的吸收氮能力的品种，挖掘和克隆到了一个氮高效基因GRF4 。
我们研究发现GRF4和dep1非常类似，也是一个“一因多效”基因。一方面它能够通过增强光合作用，增强氮肥的吸收利用来“增源”；同时控制细胞分裂，来实现水稻的“扩库” ，协同提高水稻的氮肥利用效率和产量。
我们把优异等位基因导入我们现代高产品种以后，在大田实验中保持我们现有产量不变的条件下， GRF4能够减少30%——40%氮肥的投入。
我们进一步研究以后发现， GRF4也需要“一帮朋友”一起来完成这个工作， GRF4的靶向基因IPS1相互共同调控碳代谢和氮代谢，而且还发现这种机制并不是在水稻里，而且在我们植物界是一个非常保守的，所以我们利用这个基因功能的保守性，我们在小麦里去精准地去调控GRF4——IPS1分子调控模块，我们就发现，不仅维持了小麦半矮杆的优点，同时可以在减少20%氮肥条件，仍然能够增加小麦的产量和氮肥利用效率。
因此通过调控植物生长和代谢的平衡，可以实现鱼和熊掌兼得，也可以为水稻、小麦等其他农作物，提供一种高产和氮高效协同改良的育种新策略。