中國科學家發現作物“俠義”基因 花期“按需抗冷”護航糧食安全
中新網北京6月3日電 (記者 孫自法)全球氣候變化引發環流異常造成劇烈的俠義溫度波動與不可預測的冷害，嚴重影響農作物花期發育，中國導致減產而嚴重威脅糧食安全，科學如何破解和有效應對，現作需抗一直以來廣受關注。物基
研究發現：“俠義”基因“深藏功與名”
中國科學家曆時8年持續攻關，因花最近在作物基因組發現長期被注釋為“功能未知”的期按全小肽基因(RGF)，其“平時深藏不露，冷護冷害挺身而出”的航糧獨特表達模式，被研究人員形象稱為“俠義”基因，食安可通過基因編輯+人工智能的俠義一套“組合拳”，實現“按需抗冷”為糧食安全保駕護航。中國
這項作物生育期冷害感知機製與韌性穩產設計育種領域取得的科學重大突破，由中國科學院遺傳與發育生物學研究所(遺傳發育所)、現作需抗種子創新全國重點實驗室許操研究員帶領的物基智能育種攻關團隊與合作者共同完成，相關研究論文6月3日在國際學術期刊《自然》(Nature)上線發表。
本項研究成果相關示意圖。中國科學院遺傳發育所 供圖論文通訊作者許操表示，本次研究發現首個作物生育期低溫感知的小肽信號，破解了作物生育期冷害韌性減損的“殺手鐧”機製，為應對氣候變化造成的農業災害、保障糧食安全提供新的基礎理論指導和育種改良基因資源。
論文審稿人評價稱其為“一項令人振奮的創新性突破”，該研究貫通了實驗室的分子機製解析到田間的作物改良應用，既為應對氣候變化下的糧食安全和氣候韌性農業提供了有效方案，也為拓展作物種植區域，開發新糧倉提供新的理論依據和育種新路徑。
《自然》同期發表的研究簡報和國際同行專家評論認為，該項基礎研究的原創發現和育種利用，是在全球氣候變化加劇的重重挑戰下，護航世界糧食安全的突破性進展，將引領作物育種基礎理論創新和育種技術應用從“持續抗性的高產耐逆不可兼得”到“逆境韌性的順境高產逆境穩產”的氣候韌性農業的範式轉變。
研究背景：花期冷害威脅糧食安全
論文第一作者、中國科學院遺傳發育所博士後陳樹棟介紹說，全球氣候變化背景下，農作物進入花期後，突如其來的“倒春寒”“早霜凍”“寒露風”等天氣頻繁出現，短短幾天的花期低溫便可造成不可逆花粉敗育和無法結實，常常導致全球主糧作物遭遇大麵積受精障礙與結實率下降，平均減產幅度在20%-60%之間，每年給全球農業生產造成的直接經濟損失高達數十億美元。
作物花期冷害嚴重年份，可直接導致區域性糧食減產達50億-100億公斤，威脅糧食安全和農業可持續發展。
此外，全球氣候變化導致春季回溫提前，果樹物候期普遍提前，但冷空氣依然頻繁南下，形成“先暖後冷”的劇烈溫差，花期和幼果期正好暴露在冷空氣的“攻擊窗口”內，導致不同果樹平均減產達20%-50%。
花期冷害難以防範，灌水延遲花期、熏煙、覆蓋等被動傳統防禦措施成本高、收效低，剪枝、追肥等災後補救更是“亡羊補牢”。
在論文共同通訊作者、中國農業大學教授宋文看來，這種情況本質上是缺乏抗凍的主動基因手段，如同缺乏“禦寒外衣”，僅靠臨時的“烤火”難以從根本上解決問題。
長期以來，人們更多關注作物在苗期和營養生長期對低溫的適應能力。相比之下，作物花期低溫適應機製的基礎研究明顯薄弱，關鍵可用的抗冷基因資源極為匱乏，使得花期防冷育種長期缺乏基礎理論指導。
研究團隊認為，當前育種和生產上應對花期冷害的主要手段，仍遠不足以應對氣候變暖背景下日益頻繁的突發性冷害，而且篩選獲得的多是持續抗性基因，在常溫下也會持續激活耐冷機製，空耗大量能量，雖持續耐冷卻影響常溫下的產量，造成“高產耐冷不可兼得”的困局。
因此，破解作物花粉發育低溫感知和信號轉導機製，發掘利用花期低溫韌性基因，推動作物改良從“持續抗性的高產耐逆不易兼得”到“氣候韌性的順境高產逆境穩產”轉變是破局的關鍵。
研究過程：從理論闡釋到廣泛實踐
許操指出，在本項研究中，為解決發育期花粉取樣分析難、真實農業低溫條件重現難、韌性基因鑒定難等三大難題，研究團隊轉換思路，通過尋找合適的模式植物、實驗室環境與實際農業生境交替篩選驗證、聚焦基因組的隱秘基因等，選定花序合軸生長和花朵次序發育的番茄作為研究模式。
本項研究成果相關示意圖。中國科學院遺傳發育所 供圖隨後，曆時3年在早春大棚、越冬大棚、露地大田等不同場景的真實農業生產環境和溫度自然波動的條件下，研究團隊建立一套高效取樣分析方法，綜合運用傳感技術、多維組學、基因編輯和人工智能等技術手段，經過前後長達8年持續攻關，終於找到在基因組中被長期忽視的小肽基因，其編碼一個僅含有13個氨基酸殘基的短肽。
該基因平時幾乎不表達，在正常溫度下對作物的生長發育沒有可見影響，其功能缺失突變體植株生長正常，產量與野生型無顯著差異，成功避免了常溫下的能量空耗。然而，一旦遭遇低溫脅迫，它在花粉發育關鍵階段的四分體時期，便在花藥絨氈層細胞中被顯著激活，表達水平瞬時飆升，彰顯出“路見不平，拔刀相助”的“俠義”基因本色。
進一步研究揭示，低溫誘導表達的小肽通過分泌到細胞外，誘導受體與共受體形成受體複合體並引發細胞內鈣離子濃度快速升高。這一鈣信號通過精確調控花藥絨氈層降解，為花粉的正常發育提供所需的營養和能量，可有效避免花粉敗育，從而在理論上闡釋了植物在麵臨不可預測的短期冷害時，如何通過“按需抗冷”實現精準高效的局部防禦。
研究團隊將理論付諸實踐，通過作物改良和多年多點多品種測產表明，激活“俠義”小肽基因的表達，在番茄中可挽回33.9%-52.2%的低溫冷害引起的產量損失；上調水稻中同源基因的表達可增強花粉低溫韌性，當前主栽高產商業化水稻品種可挽回18%左右的低溫冷害引起的產量損失。目前，團隊正在拓展應用於大豆、玉米等作物的冷害減損改良。(完)
(責任編輯：娛樂)
