活力中国调研行｜粮食安全的答案，藏在基因里
中国科学院林鸿宣团队提前二十年布局，分离克隆水稻耐热基因，使水稻在高温下稳产；巫永睿团队从野生玉米中发掘高蛋白基因，将玉米蛋白含量提升至15%，有望减少大豆进口依赖。两项研究为基础研究解决粮食安全挑战提供了范例。
七八月，正是一年中最热的时候，也是中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣团队最忙碌的“田间季”。顶着近40℃的高温，去稻田里取样，记录水稻在极端热浪下的表现，是团队的日常。
二十年前，极端高温尚未成为常态，但在国内外从事了多年水稻研究的林鸿宣，敏锐地意识到，高温可能会对作物生长带来影响。于是，他将目光投向了一个当时看起来“冷门”的方向：水稻的耐热基因研究。
经过多年攻关，他们成功分离克隆出水稻抗热基因，让水稻在高温下也能稳住产量。
近日，我们跟随“活力中国调研行”走进中国科学院分子植物科学卓越创新中心（下称“分子植物卓越中心”），在这里，一大批科学家和研究员，正用持续的耐心和不懈的求索，破解一个又一个关乎粮食安全的现实问题。
提前二十年布局，让水稻“从容”应对高温胁迫
随着气候变暖加剧，提高作物耐热性越来越迫在眉睫。研究数据显示，全球平均气温每升高1℃，将导致作物减产3%-8%；到2040年，高温会使全球粮食减产30%-40%。
在水稻这个品类上，当气温超过37℃，水稻的结实率便大大降低；数据显示，全球约有6000万亩水稻的产量因此受到影响。
“最有效的解决方式是基因改良——通过生物技术挖掘水稻自身的抗热基因，用遗传的方法，一步一步做。”水稻有大约4万个基因，这一过程并不容易。中国科学院院士、分子植物科学卓越创新中心研究员林鸿宣介绍，团队用了8年时间，从非洲稻中成功分离克隆出第一个水稻耐热QTL基因TT1，将其导入主栽培品种后，效果明显。
“高温研究难度很大，可以说是一块硬骨头。”每年气温最高的月份，反而是林鸿宣团队户外工作的密集期。天气炎热时，往往需要到农场取样，评估水稻在高温状态下的性状。
实现从0到1的突破后，林鸿宣带领团队陆续挖掘出TT2、TT3、TT4、TT5等多个水稻关键耐热基因，阐明了水稻耐热调控的新机制。将这些基因导入水稻优良品种后，能够显著减少高温胁迫引起的产量损失。
此外，林鸿宣团队与上海交大合作，鉴定出DGK7和PDE1两个耐热调控因子，首次破解了水稻感知高温信号并逐级传导至细胞核、以启动耐热反应的“双重解码”机制。将DGK7与TT2聚合改良后，水稻在高温胁迫下增产约一倍，且不影响正常产量，为应对气候变暖下的粮食安全提供了基因资源和理论基础。
瞄准“大豆替代”，寻找玉米“丢失”的高蛋白基因
玉米是我国第一大粮食作物，被称为“饲料之王”。但我国玉米蛋白含量普遍较低，动物饲料长期依赖进口豆粕作为蛋白来源。
不过，这里有一个耐人寻味的细节：虽然现代玉米作物的蛋白质含量仅8%-10%，但玉米的祖先——大刍草（即野生玉米）的蛋白质含量却高达30%。
为了找回玉米“丢失”的高蛋白基因，分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队花了十几年时间，从零起步搭建高通量蛋白检测平台。他们通过栽培玉米B73与野生玉米杂交、回交，构建高蛋白近等基因系群体，提取超4万份DNA样本进行基因型鉴定，测定超过2万份蛋白含量数据，最终锁定6个潜在主效基因。
2024年，巫永睿团队率先从野生玉米中发掘出首个高蛋白基因THP9-T。将其导入栽培玉米后，自交系玉米的蛋白含量从10%提高到13%，杂交种蛋白含量提高到11%。但如何进一步提升，仍是待解难题。
分子植物卓越中心培育的高蛋白玉米。
多年持续攻关后，研究团队通过精细定位和图位克隆，挖掘到第二个高蛋白基因THP3-T，并试图使其与THP9-T形成合力。
今年6月3日，《自然》发表了分子植物卓越中心研究员巫永睿、王海海团队，联合上海师范大学、四川农业大学团队共同完成的论文成果——《野生玉米优异基因有效提高玉米氮同化和籽粒蛋白含量》。
该研究将两个高蛋白主效基因THP3-T与THP9-T聚合，使自交系籽粒蛋白含量从10%提升至15%，并将我国推广面积最大的玉米品种郑单958的籽粒蛋白含量从8.5%提升到12%至13%，全株蛋白含量从7%提升至9%以上。
巫永睿表示，高蛋白玉米预计未来3年可以从试验品系变为能够在农田里推广的新品种。而如果全国饲用玉米蛋白含量能提升4个百分点、达到12%以上，所增加的蛋白总量相当于3000多万吨进口大豆，约占进口大豆总量的30%。
农业基础研究与现实需求同频共振
耐热基因与高蛋白玉米，两项成果虽属不同研究方向，却共同指向着当下最现实的挑战——气候变暖导致的粮食减产风险，以及动物饲料蛋白源长期依赖进口的结构性矛盾。
而无论是林鸿宣团队历时二十余年挖掘的水稻耐热基因体系，还是巫永睿团队耗费十余年从野生玉米中一步步找回高蛋白基因，两者背后是同样的科研逻辑：在基础研究中提前多年布局，并将论文中的研究发现，一路做到能够直接导入育种体系的具体基因和品种。
这样的案例在分子植物科学卓越创新中心并非孤例。周峰团队近年首次发现并克隆出控制水稻多年生性状的“长寿基因”——EBT1，让水稻有可能像果树一样，一次栽培、多年收获。
分子植物卓越中心培育的多年生水稻。
与此同时，聚焦国家“双碳”战略目标的植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）于2024年6月获批筹建，这也是目前全国唯一专门从事植物碳汇研究的重点实验室。围绕植物高效固碳、高效生物固氮、高碳汇根系构建等方向，实验室已取得一系列原创性突破，致力于为“碳中和”提供来自植物科学的解决方案。
“植物科学有望成为推动新一轮农业科技革命的核心引擎。”分子植物科学卓越创新中心党委书记、研究员张余表示，中心将围绕“作物复杂性状调控”“植物碳氮高效”“植物与环境互作”三大主攻方向，聚焦粮食安全和农业可持续发展背后的重大基础科学问题，继续展开攻关。
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