活力中國調研行｜糧食安全的答案，藏在基因里

每年七八月，是氣溫最高的月份，也是中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣團隊最忙碌的“田間季”。頂著近40℃的高溫，去稻田里取樣，記錄水稻在極端熱浪下的表現，是團隊的日常。

二十年前，極端高溫尚未成為常態，但在國內外從事了多年水稻研究的林鴻宣敏銳意識到，高溫可能會對作物生長帶來影響，將目光投向了一個當時看起來“冷門”的方向：水稻的耐熱基因研究。

經過多年攻關，林鴻宣團隊成功分離克隆出水稻抗熱基因，大大提高了高溫下的水稻產量。

近日，新京報貝殼財經記者跟隨“活力中國調研行”來到中國科學院分子植物科學卓越創新中心（下稱“分子植物卓越中心”），在這里，一大批科學家和研究員，正用持續的耐心和不懈的求索，求解一個又一個關乎糧食安全的現實問題。

提前二十年布局，讓水稻“從容”應對高溫脅迫

隨著氣候變暖加劇，提高作物耐熱性越來越迫在眉睫。研究數據顯示，全球平均氣溫每升高1℃，將導致作物減產3%-8%；到2040年，高溫會使全球糧食減產30%-40%。

在水稻品類上，當氣溫超過37℃，水稻的結實率便大大降低；數據顯示，全球約有6000萬畝水稻的產量。

“最有效的解決方式是基因改良，通過生物技術挖掘水稻自身的抗熱基因，用遺傳的方法，一步一步做?！彼居写蠹s4萬個基因，這一過程并不容易，中國科學院院士、分子植物科學卓越創新中心研究員林鴻宣介紹，團隊用了8年時間，從非洲稻中成功分離克隆出第一個水稻耐熱QTL基因TT1，將其導入主栽培品種后，效果明顯。

“高溫研究難度很大，可以說是個硬骨頭?！泵磕隁鉁刈罡叩脑路荩炊橇著櫺麍F隊戶外工作的密集期，林鴻宣表示，天氣炎熱時往往需要到農場取樣，評估水稻高溫狀態下的性狀。

實現從0到1的突破后，林鴻宣帶領團隊陸續挖掘出TT2、TT3、TT4、TT5等多個水稻關鍵耐熱基因，闡明水稻耐熱調控新機制，將這些基因導入水稻優良品種后，能夠顯著減少高溫脅迫引起的產量損失。

此外，林鴻宣團隊與上海交大合作鑒定出DGK7和PDE1兩個耐熱調控因子，首次破解水稻感知高溫信號并逐級傳導至細胞核以啟動耐熱反應的“雙重解碼”機制。將DGK7與TT2聚合改良后，水稻在高溫脅迫下增產約一倍，且不影響正常產量，為應對氣候變暖下的糧食安全提供了基因資源和理論基礎。

瞄準“大豆替代”，尋找玉米“丟失”的高蛋白基因

玉米是我國第一大糧食作物，被稱為“飼料之王”。但我國玉米蛋白含量普遍較低，動物飼料長期依賴進口豆粕作為蛋白來源。

不過，雖然現代玉米作物的蛋白質含量僅8%-10%，但玉米的祖先——大芻草（即野生玉米）的蛋白質含量卻高達30%。

為了找回玉米“丟失”的高蛋白基因，分子植物科學卓越創新中心巫永睿團隊花了十幾年時間，從零起步搭建高通量蛋白檢測平臺，通過栽培玉米B73與野生玉米雜交、回交，構建高蛋白近等基因系群體，提取超4萬份DNA樣本進行基因型鑒定，測定超過2萬份蛋白含量數據，最終鎖定6個潛在主效基因。

2022年，巫永睿團隊率先從野生玉米中發掘出首個高蛋白基因THP9-T，將其導入栽培玉米后，自交系玉米的蛋白含量從10%提高到13%，雜交種蛋白含量提高到11%。但如何進一步提升，仍是待解難題。

分子植物卓越中心培育的高蛋白玉米。新京報貝殼財經記者張曉慧 攝

多年持續攻關后，研究團隊通過精細定位和圖位克隆，挖掘到第二個高蛋白基因THP3-T，并試圖使其與THP9-T形成合力。

今年6月3日，《自然》發表了分子植物卓越中心研究員巫永睿、王海海團隊，聯合上海師范大學、四川農業大學團隊共同完成的論文成果——《野生玉米優異基因有效提高玉米氮同化和籽粒蛋白含量》。

該研究將兩個高蛋白主效基因THP3-T與THP9-T聚合，使自交系籽粒蛋白含量從10%提升至15%，并將我國推廣面積最大的玉米品種鄭單958的籽粒蛋白含量從8.5%提升到12%至13%，全株蛋白含量從7%提升至9%以上。

巫永睿表示，高蛋白玉米預計未來3年可以從試驗品系變為能夠在農田里推廣的新品種，而如果全國飼用玉米蛋白含量能提升4個百分點達到12%以上，所增加的蛋白總量相當于3000多萬噸進口大豆，約占進口大豆總量的30%。

農業基礎研究與現實需求同頻共振

耐熱基因與高蛋白玉米，兩項成果雖屬不同研究方向，卻共同指向著當下最現實的挑戰——氣候變暖導致的糧食減產風險，以及動物飼料蛋白源長期依賴進口的結構性矛盾。

而無論是林鴻宣團隊歷時二十余年挖掘的水稻耐熱基因體系，還是巫永睿團隊耗費十余年從野生玉米中一步步找回高蛋白基因，兩者背后是同樣的科研邏輯：在基礎研究中提前多年布局，并將論文中的研究發現，一路做到能夠直接導入育種體系的具體基因和品種。

這樣的案例在分子植物科學卓越創新中心并非孤例，周峰團隊近年首次發現并克隆出控制水稻多年生性狀的“長壽基因”——EBT1，讓水稻有可能像果樹一樣，一次栽培、多年收獲。

分子植物卓越中心培育的多年生水稻。新京報貝殼財經記者張曉慧 攝

與此同時，聚焦國家“雙碳”戰略目標的植物高效碳匯重點實驗室（中國科學院）于2022年6月獲批籌建，也是目前全國唯一專門從事植物碳匯研究的重點實驗室。圍繞植物高效固碳、高效生物固氮、高碳匯根系構建等方向，實驗室已取得一系列原創性突破，致力于為“碳中和”提供來自植物科學的解決方案。

“植物科學有望成為推動新一輪農業科技革命的核心引擎?！狈肿又参锟茖W卓越創新中心黨委書記、研究員張余表示，中心將圍繞“作物復雜性狀調控”“植物碳氮高效”“植物與環境互作”三大主攻方向，聚焦糧食安全和農業可持續發展背后的重大基礎科學問題，繼續展開攻關。

新京報貝殼財經記者 張曉慧

編輯 陳莉

校對 王心