活力中国调研行｜粮食安全的答案，藏在基因里

每年七八月，活力正值酷暑，中国气温屡破40℃，调研答案这也是行粮中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣团队最繁忙的“田间季”。顶着烈日，食安深入稻田取样，藏基记录水稻在极端热浪下的因里生理表现，已成为该团队雷打不动的活力日常。

二十年前，中国极端高温尚未成为气候常态，调研答案但长期从事水稻研究的行粮林鸿宣敏锐察觉到高温对作物生长的潜在威胁，毅然将目光投向当时被视为“冷门”的食安领域——水稻耐热基因研究。

历经多年攻关，藏基林鸿宣团队成功分离并克隆出水稻抗热基因，因里显著提升了高温环境下的活力水稻产量。

近日，新京报贝壳财经记者跟随“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（以下简称“分子植物卓越中心”）。在这里，众多科学家与研究员正以持久的耐心和不懈的求索，逐一破解关乎国家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。数据显示，全球平均气温每升高1℃，作物减产幅度达3%-8%；预计到2040年，高温将导致全球粮食减产30%-40%。

在水稻种植中，当气温超过37℃，水稻结实率便大幅下降。据统计，全球约有6000万亩水稻面临此类风险。

“最有效的解决路径是基因改良，即通过生物技术挖掘水稻自身的抗热基因，利用遗传手段逐步优化。”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，水稻拥有约4万个基因，筛选过程极具挑战。团队耗时8年，从非洲稻中成功分离克隆出首个水稻耐热QTL基因TT1，将其导入主栽培品种后，增产效果显著。

“高温研究难度极大，堪称‘硬骨头’。”林鸿宣坦言，每年最炎热的月份，反而是团队户外工作的高峰期。高温时段需深入农场取样，精准评估水稻在高温胁迫下的性状表现。

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，阐明了水稻耐热调控的新机制。将这些基因导入优良品种后，可显著降低高温胁迫造成的产量损失。

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，首次破解了水稻感知高温信号并逐级传导至细胞核以启动耐热反应的“双重解码”机制。将DGK7与TT2聚合改良后，水稻在高温胁迫下的增产幅度约为一倍，且不影响正常产量，为应对气候变暖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。

尽管现代栽培玉米的蛋白质含量仅为8%-10%，但其祖先——大刍草（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耗时十余年，从零起步搭建高通量蛋白检测平台。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。

2022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，自交系玉米蛋白含量从10%提升至13%，杂交种蛋白含量提升至11%。然而，如何进一步突破瓶颈，仍是待解难题。

分子植物卓越中心培育的高蛋白玉米。新京报贝壳财经记者张晓慧 摄

经过多年持续攻关，研究团队通过精细定位和图位克隆，挖掘出第二个高蛋白基因THP3-T，并致力于使其与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科学卓越创新中心研究员巫永睿、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进行聚合，使自交系籽粒蛋白含量从10%跃升至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%提升至12%至13%，全株蛋白含量从7%提升至9%以上。

巫永睿表示，预计未来3年内，高蛋白玉米有望从试验品系转变为可在农田推广的新品种。若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，约占我国进口大豆总量的30%，将极大缓解饲料蛋白依赖进口的局面。

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，两项成果虽属不同研究方向，却共同指向当下最严峻的挑战——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，并将实验室中的发现，一路转化为可直接导入育种体系的具体基因和品种。

此类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。新京报贝壳财经记者张晓慧 摄

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2022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，继续展开攻关。

新京报贝壳财经记者 张晓慧

编辑 陈莉

校对 王心

(责任编辑：知识)