【JIPB】突破性研究：编辑大豆赤霉素受体基因，实现产量与固氮能力双提升

大豆是重要的油料和蛋白作物，但它的平均产量远低于水稻、小麦等主粮。历史上的“绿色革命”通过培育半矮秆作物（如矮秆水稻和小麦）解决了倒伏问题，实现了高密度种植，从而大幅提高了产量。

然而，这种高产严重依赖大量的氮肥，带来了环境污染和成本高昂的问题。幸运的是，大豆作为豆科植物，自身有一个“秘密武器”——根瘤固氮。它能与根瘤菌共生，将空气中的氮气转化为氨，为自己提供约70%的氮营养。

那么，能否培育出一种大豆：它既像“绿色革命”品种一样矮秆抗倒、适合密植，又能高效固氮减少施肥，甚至还能提高产量和含油量？

答案是：能！ 中国南京农业大学的团队找到了实现这一目标的关键基因。

研究内容：一“敲”多得的神奇基因

南京农业大学李艳教授团队在国际知名期刊 《Journal of Integrative Plant Biology》 上发表了一项重磅研究。他们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，精准敲除了大豆中的一个关键基因——GmGID1-2。

1. 这个基因是什么？

GmGID1-2 是赤霉素（一种促进植物生长的激素）的受体。就像一把“钥匙”（赤霉素）需要插入“锁孔”（GID1受体）才能启动生长指令。敲除这个基因，相当于破坏了“锁孔”，使得赤霉素的信号无法正常传导，导致植株变矮。

2. 敲除它后，大豆发生了哪些神奇变化？

研究发现，敲除了GmGID1-2 的大豆突变体呈现出极其理想的农艺性状：

株型优化：植株变矮，但茎秆更粗、更坚韧，抗倒伏能力极大增强，非常适合高密度种植。

产量大增：分枝数、节数、单株荚数和粒数均显著增加，最终使亩产量提高了10%-17%。

品质提升：种子中的含油量显著提高，虽然蛋白质含量略有下降，但对于以榨油为主要目的的生产来说是一大利好。

固氮增强（最关键的发现！）：根瘤数量、重量以及固氮酶活性都大幅提升，意味着植株能自己“生产”更多的氮肥，减少了对外部氮肥的依赖。

图2. GmGID1-2基因敲除改善大豆株型结构、产量及种子含油量

图4. GmGID1-2基因敲除增强大豆固氮能力

3. 为什么敲除一个基因能有这么多好处？

其核心机制在于一个名为 DELLA 的蛋白。DELLA是植物生长的“刹车器”。GmGID1-2 的正常功能是感知赤霉素并降解DELLA，从而“松开刹车”，让植物生长。

敲除 GmGID1-2 后，DELLA蛋白大量积累（刹车一直踩着），这一方面抑制了植株的过度伸长（变矮），另一方面，高水平的DELLA蛋白恰好能正向调控根瘤菌的侵染和结瘤过程！同时，它还通过调控一系列下游基因，促进了分枝和油脂的合成。

图7. GmGID1-2的自然变异及GmGID1-2敲除的多效性效应

研究意义：迈向可持续农业的新策略

这项研究的突破性意义在于：

1. “一石三鸟”：首次通过编辑单个基因，同时实现了理想株型、增产提质和增强生物固氮三大目标，这是传统育种难以做到的。
2. 绿色可持续：培育出的新材料节肥、高产、优质，完美契合了当前绿色农业和可持续发展需求，有望引领大豆的“绿色革命”。
3. 发现新资源：研究还发现，在大豆自然种质资源中几乎没有 GmGID1-2 的功能缺失突变体，这意味着基因编辑技术创造了一种自然界不存在的优异新等位基因，为大豆育种提供了宝贵的遗传资源。

总结与展望

这项研究不仅基础理论价值重大，应用前景也极为广阔。它证明了我们能够通过精准的基因编辑技术，协同优化作物的多种复杂性状，而不是“拆东墙补西墙”。未来，将这类编辑后的优异基因导入不同的大豆主栽品种中，有望培育出新一代的高产、节肥、高油大豆品种，极大地降低农业生产对化学氮肥的依赖，为保障国家粮油安全和推动农业可持续发展提供强有力的科技支撑。