華中農業(yè)大學日前透露，該校作物遺傳改良全國重點實驗室李一博教授團隊新發(fā)現一種讓水稻“不怕熱”的關鍵基因，并解析了其調控水稻耐高溫的機制，研究成果發(fā)表在國際學術期刊《細胞》上。近年來，全球極端高溫天氣事件頻發(fā)，已成為威脅糧食安全的重要因素之一。如何實現水稻在高溫環(huán)境下穩(wěn)產，培育抗高溫新品種具有重大戰(zhàn)略意義。

米飯越來越香不是錯覺

這些年來，大家可能普遍有一種感覺，那就是餐桌上的米飯越來越好吃了。這并不是一種錯覺。今年初，國際科學期刊《自然》發(fā)表了中國水稻研究所的一篇論文，其中證實，我國的水稻品質正在穩(wěn)步提升。

對于公眾而言，米飯好吃與否更多是一種感覺上的差異，但對于科學家來說，這些感覺差異是可以進行定性定量的。國家標準《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》對米飯感官評價進行了標準化定量分析，涉及氣味（特有香氣、有異味）、外觀結構（顏色、光澤、完整性）、適口性（黏性、軟硬度、彈性）、滋味（純正性、持久性）和冷飯質地（成團性、黏彈性、硬度）5個方面。

中國水稻研究所稻米質量安全評估創(chuàng)新團隊一直在持續(xù)監(jiān)測我國稻米的食用品質變化。此次，團隊依據通行國標方法進行檢測，結果發(fā)現，我國稻米的平均食味評分值已從2009年的74.9分提升至2023年的80.3分，米飯聞著更有香氣，顏色潔白有光澤且更完整，食用起來也更加滑爽有嚼勁，軟硬適中。這一分值的提升，離不開我國對于水稻研發(fā)、生產的持續(xù)投入。

雜交水稻之父、著名科學家袁隆平先生利用野生稻與栽培稻雜交，大幅提高了水稻產量，應對糧食危機。如今，在“吃飽”的基礎上，公眾對稻米的質量和食用體驗有了更高的需求。因此，近些年來，國內對于水稻的科研投入不只是產量優(yōu)先，而是注重量、質并舉。

經過多年努力，我國水稻的全要素生產率（TFP）（指在水稻生產過程中，扣除所有要素投入后的產出增值，反映了技術進步、組織創(chuàng)新和專業(yè)化等因素對水稻產出的貢獻）從2009年的0.43上漲到2020年的0.55，這表明水稻生產高質量發(fā)展不僅提高了水稻的外觀和口感，還提升了水稻生產的附加值。支撐這一數據的“功臣”，既有科學家為遺傳育種改良做出的貢獻，更離不開科學管理、技術優(yōu)化和國家投入（如糧食直接補貼政策）。

溫度升高影響大米質量

大米口感在提升，但科學家仍然有一大隱憂，那就是如何應對氣候變暖對于糧食生產造成的影響。

社會上，有一些人覺得探討氣候變暖的影響為時尚早，甚至對此持懷疑態(tài)度，但氣候變暖的影響很“現實”，水稻就是“受害者”之一。陜西師范大學科研團隊此前在國際學術期刊《地球物理研究快報》上發(fā)表的一項研究，揭示了大米質量變化與氣候的關系。

研究團隊選擇了和大米蒸煮食用品質感官評價不一樣的指標，用整精米率（完全碾磨后精米粒長度的四分之三）來衡量稻米品質，這也是科學家對優(yōu)質大米的一個常見評判方式。研究結果顯示，從1985年至2020年，我國的優(yōu)質大米產出率總體呈現下降趨勢，平均每十年下滑1.45%。無獨有偶，日本的第一等優(yōu)質米產出率也總體呈現下降趨勢，在1996年至2010年期間，平均每十年下滑7.6%。研究人員將稻米品質和氣象因素如夜間溫度、日間溫度、日降水量、太陽輻射、云量、日間蒸汽壓虧缺（可反映空氣濕度）及二氧化碳濃度等情況進行了關聯分析，發(fā)現相關性最高的是夜間溫度。也就是說，夜間溫度越高，大米品質越差，反之則越好，當夜間溫度超過18℃時，優(yōu)質大米的產出率會明顯下降。

近年來，全球氣候變化屢屢導致極端高溫天氣，嚴重威脅著糧食作物的產量和品質。多國農業(yè)模型分析和統(tǒng)計數據顯示，全球平均氣溫每升高1℃，將直接導致水稻產量減少6.6%至25%，同時伴隨稻米品質的嚴重劣化。更令人擔憂的是，遏制氣候變暖是個長期工程，換句話說，氣候變化對于優(yōu)質大米產出率的影響還將繼續(xù)，如何避免大米質量持續(xù)下降是一個擺在各國科學家面前迫切而嚴峻的課題。

耐熱基因可助水稻應對氣候變暖

國家政策上的投入畢竟有限，氣候變暖的步伐一時又慢不下來，那怎么做才能保護糧食安全呢？科學家將目光投向了水稻基因。

既然在氣候影響導致整精米率下降的大環(huán)境下，可以通過遺傳育種改良和技術優(yōu)化等手段讓米飯越來越好吃，那就意味著面對氣候變暖對于水稻品質的負面影響，一樣會有解決方案，其背后是關于水稻的生物學本質探究。

生物能夠很好地存活和發(fā)展，必然要長期進化適應環(huán)境，對溫度的適應就是一個典型案例。生命活性有機大分子如蛋白質、DNA等都有一定的溫度活性范圍，否則就可能造成損傷，比如，蛋白質會被高溫破壞，生物膜系統(tǒng)中的脂類在高溫下也會出現結構變化，從而導致生物活性受損。

對于水稻來說，經過無數年的適應進化，它往往會選擇一個和日常氣候相對匹配的狀態(tài)以保障生存繁殖，且避免過度消耗。對于高溫，水稻的耐受性臨界溫度在34℃左右。當超過這個溫度范圍時，水稻不僅會調整自身的光合與呼吸、蒸騰生理過程等來應對，還會通過內部生物反應如大量合成超氧化物歧化酶等來降低高溫對細胞造成的損傷。

這種應對高溫的自我調節(jié)對于水稻本身有利，但是對人們需求的水稻品質和產量可就不一定有利了。比如，在水稻灌漿期（稻穗開花后到谷粒成熟的時期，是淀粉、蛋白質等營養(yǎng)物質在水稻籽粒中轉化和積累的過程）遇到高溫，會導致水稻的整精米率、堊白度（堊白是稻米胚乳中白色不透明的部分，為稻米外觀品質的一個重要指標）、直鏈淀粉含量、膠稠度等米質主要指標受到影響。

基因決定性狀，如果能找到水稻在被高溫脅迫時的內部調節(jié)機制，針對性地改善水稻對高溫的應對，同時減少對水稻品質、產量的影響，那么就可以一定程度上解決水稻在氣候變化中的生存難題。為此，我國多個科研團隊一直致力于水稻抗熱研究。

最新的一項水稻耐熱研究來自華中農業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室。與以往的溫室篩選、苗期鑒定不同，該團隊十余年來在大田中對水稻灌漿期這一對高溫非常敏感且決定水稻質和量的關鍵節(jié)點，進行了大田耐熱水稻篩選鑒定，最終找到一個可以對抗高溫的主效QTL（數量性狀基因）——QT12。

水稻通過一系列復雜的基因網絡來調節(jié)QT12。其中，當高溫脅迫時，水稻對QT12的抑制會減弱，于是該基因就會過度激活未折疊蛋白反應（UPR），從而破壞水稻胚乳貯藏物質的穩(wěn)定性。這些物質既是水稻產量的核心，也是影響水稻口感、營養(yǎng)等的質量關鍵，從而導致水稻的質量和產量下降。如果對該基因進行調控，便能影響水稻的高溫應對體系，平衡貯藏蛋白與淀粉合成穩(wěn)態(tài)，以穩(wěn)定稻米的品質和產量。

基于這項研究，研究團隊在武漢、杭州和長沙等長江流域典型水稻種植區(qū)進行了大規(guī)模田間試驗。結果發(fā)現，低表達QT12可以讓水稻很好地耐受高溫環(huán)境，與沒有改造的野生型水稻相比，接受基因編輯的QT12突變株系能讓水稻產量提高54.7%至92.5%，與此同時，稻米的堊白率和堊白度均顯著下降，外觀品質和食味品質雙雙提升。研究人員表示，這一成果揭示了水稻在自然高溫環(huán)境下協(xié)同實現優(yōu)質高產的全新分子機制和育種策略，填補了作物籽粒灌漿期品質高溫耐受性領域的科學空白，還為解決全球糧食安全與農業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展問題提供了重要理論依據和技術支持。

當然，作為長期與自然環(huán)境進化適應的結果，水稻應對高溫的機制遠不止QT12。2022年，《科學》雜志上曾發(fā)表過中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心關于水稻耐高溫的研究，該團隊定位克隆到了一個控制水稻高溫抗性的基因位點TT3，該基因能夠在高溫誘導下發(fā)生蛋白定位改變，進而提高對高溫脅迫的應對能力，而TT3.1-TT3.2遺傳模塊的動態(tài)變化，對于水稻熱敏感及產量等都具有重要影響。此外，國內外研究人員還發(fā)現了諸如Spl、OsGS1/2等一系列與水稻耐熱相關的基因，這些基因都為科學家改良水稻應對高溫脅迫、提高水稻質量和產量提供了重要參考。

基因調控或是糧食穩(wěn)產保質的關鍵

事實上，水稻的質量和產量受到多種因素的綜合影響，僅僅應對高溫脅迫遠遠不夠，其他關于水稻的生物遺傳、基因調控等研究還需持續(xù)。

以我們對米飯蒸煮和食味品質的感知為例，常說的米飯軟硬、口感背后，很大程度上是和稻米所含的淀粉有關。直鏈淀粉的含量決定了米飯的硬度、彈性和黏性，直鏈淀粉含量適中或者較低，則米質較軟、光澤度較好且適口性更好。而米飯煮熟后的透明度則與淀粉的糊化溫度有關，其背后是不同聚合度的支鏈淀粉比例改變。

從根本上來看，淀粉受控于基因的影響，典型例子就是蠟質基因（Wx），它能夠催化合成直鏈淀粉，而蠟質基因有多個復等位基因，并和其他如淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉脫支酶等一系列基因共同發(fā)揮作用。同理，水稻香味、水稻粒型等都受到基因調控。因此，科學家認為，對已知有用的基因進行改造和調節(jié)，是目前改善稻米品質的重要有效途徑。

近些年來，對于水稻的基因組研究為改良水稻提供了更好的參考。2021年，我國科學家在《細胞》期刊上展示了組裝31個遺傳多樣性水稻種質基因組并結合已有水稻基因組形成的水稻泛基因組，為水稻遺傳多樣性研究提供了參考。2025年，《自然》期刊發(fā)表了我國科學家基于129份普通野生水稻和16份亞洲栽培水稻的基因組測序、組裝，構建的覆蓋野生型和栽培型水稻全景泛基因組圖譜，拓展了水稻基因改良的空間。該研究發(fā)現有20%的基因是野生水稻特有，并具有抵御疾病、適應環(huán)境等性狀優(yōu)勢，證明野生水稻可以作為培育抗病、抗逆水稻品種的基因來源。

在基因組信息不斷完善的今天，科學家將尋找和發(fā)現更多影響水稻產量和品質的基因。而近些年基因編輯技術的發(fā)展，給水稻改良提供了全新工具，突破了傳統(tǒng)育種和雜交育種的限制，更加有針對性地對水稻的相關特性進行分子育種改良，研發(fā)新品種。比如，2022年中國農業(yè)科學院作物科學研究所在《科學》雜志上展示了一個水稻高產基因OsDREB1C的效果，該基因能夠提高光合作用效率和氮素利用效率，比對照組的產量提高了30.1%至68.3%。同年，我國另一個團隊在《科學》雜志上介紹的重要基因OsKRN2能使水稻產量增加8%，不僅如此，該基因在玉米中的同源基因還能將玉米產量提高10%。類似的研究近些年來屢屢出現，為科學界揭示了分子育種的強大優(yōu)勢，給新時代農業(yè)帶來了希望。

當然，對于改造后水稻品種的推廣還需進行審慎研究，其植物分子特征、長期的遺傳穩(wěn)定性、環(huán)境安全和食用安全評價等都應接受長周期的檢驗。

民以食為天，食以糧為先，糧食安全是“國之大者”。盡管面臨諸如氣候變化、抗病防御及品質變化等諸多挑戰(zhàn)，但有現代科技的加持，科學家有信心找到分子改良和應對策略，實現水稻產量和質量的改善，保證糧食安全和穩(wěn)產。

（作者為中國科學院西南生物多樣性中心生物學博士）