中科院遺傳發育所發表《Nature》

2026年6月3日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所許操研究員帶領的智能育種攻關團隊在國際著名期刊Nature上發表題為Cold-induced peptide signalling secures pollen resilience and crop yield的研究論文，首次揭示作物花粉發育的時空特異低溫韌性(Cold resilience)機制，發現了首個花粉發育低溫感知的小肽信號RGF，闡明了作物花期“按需抗冷”的小肽-受體-離子通道信號軸與低溫韌性調控機制，證實了該分子途徑在冷害減損和設計育種中的重要應用潛力。Nature同期以Research Briefing的形式對該工作進行了題為‘Hidden hero’ peptides guard crops against sudden cold的報道。

氣候變化引發的環流異常造成劇烈的溫度波動與不可預測的冷害，尤其是農作物進入花期后，突如其來的“倒春寒”、“早霜凍”、“寒露風”等頻繁發生，短短幾天的花期低溫便可造成不可逆的花粉敗育，導致全球主糧作物遭遇大面積受精障礙與結實率下降，平均減產幅度在20%至60%之間，每年給全球農業生產造成的直接經濟損失高達數百億元。僅2024年，我國農作物受災面積就高達1400萬畝，直接造成的經濟損失達256.2億元，威脅我國糧食安全和農業可持續發展。作物花期冷害嚴重年份可直接導致區域性糧食減產達50億至100億公斤。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“先暖后冷”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%。

花期冷害難以防范，灌水延遲花期、熏煙、覆蓋等被動傳統防御措施成本高、收效低。災后補救(剪枝、追肥等)更是“亡羊補牢”。從本質上講，缺乏抗凍的主動基因手段——如同缺乏“御寒外衣”，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制的基礎研究明顯薄弱，關鍵可用的抗冷基因資源極為匱乏，使得花期抗冷育種長期缺乏基礎理論指導。當前使用的耐冷種質篩選和雜交導入的育種方法不僅育種周期長，而且導入的常是持續抗冷基因，在常溫下也會持續激活耐冷機制，空耗大量能量，造成“高產耐冷不可兼得”的困局。破解作物花粉發育低溫感知和信號轉導機制，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。

為破解上述難題，許操研究員帶領的智能育種攻關團隊轉換思路，攻克了作物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。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，經過前后長達8年的持續攻關，終于找到了在基因組中長期被注釋為“功能未知”的小肽基因RGF，它編碼一個僅含有13個氨基酸殘基的短肽，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，它在花粉發育的四分體時期便在花藥絨氈層細胞中被顯著激活。這種“平時深藏不露，冷害挺身而出”的獨特表達模式，正是此韌性基因被長期忽視的重要原因。進一步研究揭示，低溫誘導表達的RGF小肽通過分泌到細胞外，被花藥細胞膜表面受體激酶SlRGFR6和共受體SlSERK識別，形成受體復合體，該復合體隨即磷酸化激活環核苷酸門控離子通道SlCNGC16/18，引發細胞內鈣離子濃度快速升高，進而精確調控花藥絨氈層的程序性死亡進程，確保了絨氈層在恰當的時間點按時降解，為花粉的正常發育提供所需的營養和能量，有效避免了因絨氈層降解延遲所導致的花粉敗育。這一小肽-受體-離子通道介導的全新分子途徑形成的RGF低溫信號軸，闡釋了植物在面臨不可預測的短期冷害時如何通過“按需抗逆”實現精準高效的局部防御。

作物改良和多年多點多品種大田測產表明，激活這些RGF小肽的表達，在番茄中可挽回33.9%-52.2%的冷害引起的產量損失。RGF低溫信號軸在雙子葉和單子葉植物中保守，上調水稻RGF基因的表達可顯著增強花粉低溫韌性，在當前商業化主栽高產水稻品種中仍可挽回18%左右的冷害引起的產量損失，目前正在拓展應用于大豆、玉米等不同作物冷害減損的遺傳改良。Nature審稿人對該研究給予高度評價，稱其為一項杰出成就和令人振奮的重要突破(representing an outstanding achievement and a significant breakthrough in the field of cold tolerance research)，贊賞該研究貫通了從實驗室基礎機制解析到田間作物改良應用，為應對氣候變化下的糧食安全和氣候韌性農業提供科技方案，同時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。

種子創新全國重點實驗室許操研究員為該論文通訊作者，中國農業大學宋文教授為該論文共同通訊作者。許操研究組的博士后陳樹棟為該論文第一作者，鄒玉盼、崔桓碩、董慶豐、楊丹丹、黃小珍等對該研究做出了重要貢獻。遺傳發育所植物激素創新平臺的褚金芳研究員和程淑靜、辛培勇等在小肽鑒定分析中做出重要貢獻，遺傳發育所儀器平臺工程師田彥寶、牟金葉等對該研究提供了重要支持。該研究得到國家自然基金委基礎科學中心項目和杰出青年基金項目資金以及中國農業大學啟動資金支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10603-7