活力中国调研行粮食安全答案藏在基因里

七八月份，正是一年中最炎热的时节，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为忙碌的“田间季”。科研人员常常顶着近40℃的高温，前往稻田采集样本，细致记录水稻在极端热浪下的生长表现，这已成为该团队的日常科研工作。

二十年前，极端高温天气尚未频繁出现，但已在国内外从事多年水稻研究的林鸿宣，敏锐地察觉到高温可能对作物生长构成威胁。于是，他将研究方向锁定在当时尚属“冷门”的领域：水稻耐热基因的挖掘与利用。

经过多年持续攻关，他们成功分离并克隆出水稻抗热基因，使水稻在高温环境下仍能保持稳定产量。

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（简称“分子植物卓越中心”）。在这里，众多科学家和研究员正以持久的耐心和不懈的探索，破解一个个关乎粮食安全的现实难题。

提前二十年布局，让水稻“从容”应对高温胁迫

随着全球气候变暖加剧，提升作物耐热性已迫在眉睫。研究数据显示，全球平均气温每升高1℃，将导致作物减产3%至8%；预计到2040年，高温可能使全球粮食产量减少30%至40%。

就水稻而言，当气温超过37℃时，其结实率会显著下降；数据显示，全球约有6000万亩水稻的产量因此受到不利影响。

“最有效的解决途经是基因改良——通过生物技术挖掘水稻自身的抗热基因，采用遗传学方法，一步步实现。”水稻拥有大约4万个基因，这一过程充满挑战。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，团队历时8年，从非洲稻中成功分离克隆出第一个水稻耐热QTL基因TT1，将其导入主流栽培品种后，效果十分显著。

“高温研究难度极大，堪称一块硬骨头。”每年气温最高的月份，反而是林鸿宣团队户外工作最为密集的时期。天气炎热时，他们常常需要前往农场取样，评估水稻在高温条件下的性状表现。

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，并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导致的产量损失。

此外，林鸿宣团队与上海交通大学合作，鉴定出DGK7和PDE1两个耐热调控因子，首次揭示了水稻感知高温信号并逐级传导至细胞核、从而启动耐热反应的“双重解码”机制。将DGK7与TT2聚合改良后，水稻在高温胁迫下产量可提升约一倍，且不影响正常产量，为应对气候变暖背景下的粮食安全提供了宝贵的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，被誉为“饲料之王”。然而，我国玉米的蛋白含量普遍偏低，动物饲料长期依赖进口豆粕作为主要蛋白来源。

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为8%至10%，但其祖先——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费了十余年时间，从零开始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，提取超过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%。但如何进一步突破，仍是待解难题。

分子植物卓越中心培育的高蛋白玉米品种。

经过多年持续攻关，研究团队通过精细定位和图位克隆，成功挖掘到第二个高蛋白基因THP3-T，并尝试使其与THP9-T形成协同效应。

今年6月3日，《自然》杂志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年可从试验品系转变为能够在农田推广的新品种。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这两项成果，虽然分属不同研究方向，却共同指向当下最严峻的现实挑战——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。

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，两者背后遵循着相同的科研逻辑：在基础研究中提前多年布局，并将论文中的研究发现，一路推进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，使水稻有望像果树一样，实现一次栽培、多年收获。

分子植物卓越中心培育的多年生水稻材料。

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，继续展开深入攻关。