给水稻装上“智能开关”：我国科学家破解耐寒与氮高效利用双重难题

  【科研论文科普解读】

  全球气候变暖背景下，极端低温事件频发，水稻减产风险加剧；而为了挽回损失过量施用氮肥，又造成环境污染。这对矛盾，如今迎来了破局之道。

  北京时间6月17日晚，国际学术期刊《自然》（Nature）发表了中国科学院植物研究所种康院士团队的最新研究成果：他们发现了一个名为CHPO的水稻“智能分子模块”，能让水稻在遭遇寒害后像凤凰涅槃般重生，且不再过度依赖化肥。这究竟是一个怎样的神奇“开关”？它又将如何改变农业的未来？

CHPO调控水稻耐寒性和寒害后分蘖再生的分子机制

  寒害与施肥：一个两难的抉择

  水稻原产热带，天生怕冷。一次倒春寒，就可能让秧苗分蘖受阻，导致严重减产甚至绝收。为了补救，农民传统的做法是增施氮肥，促进水稻在寒害后重新发棵分蘖。

  然而，长期过量施用氮肥，不仅成本高昂，更会导致土壤板结、水体富营养化等面源污染问题，严重威胁生态安全。如何在“少施肥”与“抗寒保产”之间找到平衡点，是全球农业科学家亟待攻克的难题。

  问题的关键在于，水稻寒害后的恢复能力，是否有一套独立的“遗传密码”？它与氮肥吸收之间，是否存在某种我们尚未发现的协同机制？

  寻找“抗寒基因”：一把打开宝库的钥匙

  研究团队把目光投向了水稻种质资源的“宝库”。他们选用了我国北方寒地广泛种植的粳稻品种“空育131”和南方种植的籼稻品种“浙辐802”，通过构建遗传群体，创新性地将“寒害后分蘖再生率”作为衡量水稻“韧性”的指标。这相当于为水稻的“抗压恢复能力”绘制了一张精细的导航图。

  经过大量筛选，团队成功定位并克隆到了一个关键的主效基因位点，并将其命名为CHPO。深入解析发现，粳稻和籼稻中的CHPO基因版本不同，分别称为CHPOjap和CHPOind，这导致了两种水稻对低温的响应策略截然相反。过表达来自粳稻的CHPOjap，水稻的耐寒性和再生能力显著提升；而过表达籼稻版本则效果相反。

  图片展示了水稻生产中的一种常见农艺措施，而CHPO“智能模块”的发现提供了全新的解决方案（图片由AI生成）

  群体遗传学分析还表明，CHPOjap在水稻驯化过程中受到了自然选择，是宝贵的遗传资源。

  “智能开关”如何工作：一箭双雕的分子机制

  这个“智能分子模块”究竟是如何运作的？简单来说，它像一个具备环境感知能力的“智能开关”，能根据温度变化动态调整水稻的生长发育策略。

  在寒害阶段启动“防御模式”。当低温来袭，CHPOjap会迅速激活一系列耐寒相关基因的表达，为水稻披上“分子盾牌”，提高其抗冻能力，减少寒害损伤。

具有智能模块的“分子盾牌”与高效氮利用功能的“耐寒水稻”

  在恢复阶段开启“生长模式”。当气温回升，CHPOjap又立即切换角色，直接激活氮吸收基因OsNRT2.4，促进根系对氮元素的吸收；同时抑制分蘖负调控基因OsTCP19，为水稻分蘖“松绑”，从而在无需额外施肥或只需少量施肥的情况下，就能实现快速恢复生长。这种根据环境信号“按需分配”的调控机制，从遗传底层逻辑上解决了耐寒与氮高效利用长久以来难以兼得的矛盾。

  田间试验表明，在不同氮肥条件下，携带CHPOjap的水稻植株，单株产量和氮肥利用效率均显著高于普通水稻，而突变体则表现相反。这说明CHPOjap在提高寒害后稳产能力、氮肥利用效率方面具有潜力。

  这一智能模块发现与新机制的阐释不仅具有重要的理论意义，而且具有潜在的应用前景。为培育耐寒、稳产、氮高效利用的水稻新品种提供了重要的分子模块和育种策略。

  该研究成果于北京时间6月17日晚11点在线发表于国际学术期刊Nature，植物所和中国科学院大学联合培养的已毕业博士研究生曹杰为第一作者，中国科学院院士、植物所研究员种康，副研究员罗伟和中国科学院大学教授王红为该论文共同通讯作者。崖州湾国家实验室钱前院士和植物所葛颂研究员提供了关键指导。该研究得到了国家自然科学基金和“科技创新2030”生物育种重大项目的资助。

  记者：宋雅娟

  科学审核：罗伟 中国科学院植物研究所副研究员

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