Chinese scientists discover 'chivalrous' gene to combat crop cold damage

中新网北京6月3日电 (记者 孙自法)全球气候变化引发环流异常造成剧烈的温度波动与不可预测的冷害，严重影响农作物花期发育，导致减产而严重威胁粮食安全，如何破解和有效应对，一直以来广受关注。

研究发现：“侠义”基因“深藏功与名”

中国科学家历时8年持续攻关，最近在作物基因组发现长期被注释为“功能未知”的小肽基因(RGF)，其“平时深藏不露，冷害挺身而出”的独特表达模式，被研究人员形象称为“侠义”基因，可通过基因编辑+人工智能的一套“组合拳”，实现“按需抗冷”为粮食安全保驾护航。

这项作物生育期冷害感知机制与韧性稳产设计育种领域取得的重大突破，由中国科学院遗传与发育生物学研究所(遗传发育所)、种子创新全国重点实验室许操研究员带领的智能育种攻关团队与合作者共同完成，相关研究论文6月3日在国际学术期刊《自然》(Nature)上线发表。

本项研究成果相关示意图。中国科学院遗传发育所 供图

论文通讯作者许操表示，本次研究发现首个作物生育期低温感知的小肽信号，破解了作物生育期冷害韧性减损的“杀手锏”机制，为应对气候变化造成的农业灾害、保障粮食安全提供新的基础理论指导和育种改良基因资源。

论文审稿人评价称其为“一项令人振奋的创新性突破”，该研究贯通了实验室的分子机制解析到田间的作物改良应用，既为应对气候变化下的粮食安全和气候韧性农业提供了有效方案，也为拓展作物种植区域，开发新粮仓提供新的理论依据和育种新路径。

《自然》同期发表的研究简报和国际同行专家评论认为，该项基础研究的原创发现和育种利用，是在全球气候变化加剧的重重挑战下，护航世界粮食安全的突破性进展，将引领作物育种基础理论创新和育种技术应用从“持续抗性的高产耐逆不可兼得”到“逆境韧性的顺境高产逆境稳产”的气候韧性农业的范式转变。

研究背景：花期冷害威胁粮食安全

论文第一作者、中国科学院遗传发育所博士后陈树栋介绍说，全球气候变化背景下，农作物进入花期后，突如其来的“倒春寒”“早霜冻”“寒露风”等天气频繁出现，短短几天的花期低温便可造成不可逆花粉败育和无法结实，常常导致全球主粮作物遭遇大面积受精障碍与结实率下降，平均减产幅度在20%-60%之间，每年给全球农业生产造成的直接经济损失高达数十亿美元。

作物花期冷害严重年份，可直接导致区域性粮食减产达50亿-100亿公斤，威胁粮食安全和农业可持续发展。

此外，全球气候变化导致春季回温提前，果树物候期普遍提前，但冷空气依然频繁南下，形成“先暖后冷”的剧烈温差，花期和幼果期正好暴露在冷空气的“攻击窗口”内，导致不同果树平均减产达20%-50%。

花期冷害难以防范，灌水延迟花期、熏烟、覆盖等被动传统防御措施成本高、收效低，剪枝、追肥等灾后补救更是“亡羊补牢”。

在论文共同通讯作者、中国农业大学教授宋文看来，这种情况本质上是缺乏抗冻的主动基因手段，如同缺乏“御寒外衣”，仅靠临时的“烤火”难以从根本上解决问题。

长期以来，人们更多关注作物在苗期和营养生长期对低温的适应能力。相比之下，作物花期低温适应机制的基础研究明显薄弱，关键可用的抗冷基因资源极为匮乏，使得花期防冷育种长期缺乏基础理论指导。

研究团队认为，当前育种和生产上应对花期冷害的主要手段，仍远不足以应对气候变暖背景下日益频繁的突发性冷害，而且筛选获得的多是持续抗性基因，在常温下也会持续激活耐冷机制，空耗大量能量，虽持续耐冷却影响常温下的产量，造成“高产耐冷不可兼得”的困局。

因此，破解作物花粉发育低温感知和信号转导机制，发掘利用花期低温韧性基因，推动作物改良从“持续抗性的高产耐逆不易兼得”到“气候韧性的顺境高产逆境稳产”转变是破局的关键。

研究过程：从理论阐释到广泛实践

许操指出，在本项研究中，为解决发育期花粉取样分析难、真实农业低温条件重现难、韧性基因鉴定难等三大难题，研究团队转换思路，通过寻找合适的模式植物、实验室环境与实际农业生境交替筛选验证、聚焦基因组的隐秘基因等，选定花序合轴生长和花朵次序发育的番茄作为研究模式。

本项研究成果相关示意图。中国科学院遗传发育所 供图

随后，历时3年在早春大棚、越冬大棚、露地大田等不同场景的真实农业生产环境和温度自然波动的条件下，研究团队建立一套高效取样分析方法，综合运用传感技术、多维组学、基因编辑和人工智能等技术手段，经过前后长达8年持续攻关，终于找到在基因组中被长期忽视的小肽基因，其编码一个仅含有13个氨基酸残基的短肽。

该基因平时几乎不表达，在正常温度下对作物的生长发育没有可见影响，其功能缺失突变体植株生长正常，产量与野生型无显著差异，成功避免了常温下的能量空耗。然而，一旦遭遇低温胁迫，它在花粉发育关键阶段的四分体时期，便在花药绒毡层细胞中被显著激活，表达水平瞬时飙升，彰显出“路见不平，拔刀相助”的“侠义”基因本色。

进一步研究揭示，低温诱导表达的小肽通过分泌到细胞外，诱导受体与共受体形成受体复合体并引发细胞内钙离子浓度快速升高。这一钙信号通过精确调控花药绒毡层降解，为花粉的正常发育提供所需的营养和能量，可有效避免花粉败育，从而在理论上阐释了植物在面临不可预测的短期冷害时，如何通过“按需抗冷”实现精准高效的局部防御。

研究团队将理论付诸实践，通过作物改良和多年多点多品种测产表明，激活“侠义”小肽基因的表达，在番茄中可挽回33.9%-52.2%的低温冷害引起的产量损失；上调水稻中同源基因的表达可增强花粉低温韧性，当前主栽高产商业化水稻品种可挽回18%左右的低温冷害引起的产量损失。目前，团队正在拓展应用于大豆、玉米等作物的冷害减损改良。(完)