華中農(nóng)業(yè)大學(xué)日前透露，該校作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李一博教授團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)一種讓水稻“不怕熱”的關(guān)鍵基因，并解析了其調(diào)控水稻耐高溫的機(jī)制，研究成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。近年來(lái)，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(shí)現(xiàn)水稻在高溫環(huán)境下穩(wěn)產(chǎn)，培育抗高溫新品種具有重大戰(zhàn)略意義。

米飯?jiān)絹?lái)越香不是錯(cuò)覺(jué)

這些年來(lái)，大家可能普遍有一種感覺(jué)，那就是餐桌上的米飯?jiān)絹?lái)越好吃了。這并不是一種錯(cuò)覺(jué)。今年初，國(guó)際科學(xué)期刊《自然》發(fā)表了中國(guó)水稻研究所的一篇論文，其中證實(shí)，我國(guó)的水稻品質(zhì)正在穩(wěn)步提升。

對(duì)于公眾而言，米飯好吃與否更多是一種感覺(jué)上的差異，但對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些感覺(jué)差異是可以進(jìn)行定性定量的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《糧油檢驗(yàn) 稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》對(duì)米飯感官評(píng)價(jià)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定量分析，涉及氣味（特有香氣、有異味）、外觀結(jié)構(gòu)（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(zhì)地（成團(tuán)性、黏彈性、硬度）5個(gè)方面。

中國(guó)水稻研究所稻米質(zhì)量安全評(píng)估創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)一直在持續(xù)監(jiān)測(cè)我國(guó)稻米的食用品質(zhì)變化。此次，團(tuán)隊(duì)依據(jù)通行國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我國(guó)稻米的平均食味評(píng)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(lái)也更加滑爽有嚼勁，軟硬適中。這一分值的提升，離不開(kāi)我國(guó)對(duì)于水稻研發(fā)、生產(chǎn)的持續(xù)投入。

雜交水稻之父、著名科學(xué)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(chǎn)量，應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)。如今，在“吃飽”的基礎(chǔ)上，公眾對(duì)稻米的質(zhì)量和食用體驗(yàn)有了更高的需求。因此，近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于水稻的科研投入不只是產(chǎn)量?jī)?yōu)先，而是注重量、質(zhì)并舉。

經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)水稻的全要素生產(chǎn)率（TFP）（指在水稻生產(chǎn)過(guò)程中，扣除所有要素投入后的產(chǎn)出增值，反映了技術(shù)進(jìn)步、組織創(chuàng)新和專(zhuān)業(yè)化等因素對(duì)水稻產(chǎn)出的貢獻(xiàn)）從2009年的0.43上漲到2020年的0.55，這表明水稻生產(chǎn)高質(zhì)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(chǎn)的附加值。支撐這一數(shù)據(jù)的“功臣”，既有科學(xué)家為遺傳育種改良做出的貢獻(xiàn)，更離不開(kāi)科學(xué)管理、技術(shù)優(yōu)化和國(guó)家投入（如糧食直接補(bǔ)貼政策）。

溫度升高影響大米質(zhì)量

大米口感在提升，但科學(xué)家仍然有一大隱憂，那就是如何應(yīng)對(duì)氣候變暖對(duì)于糧食生產(chǎn)造成的影響。

社會(huì)上，有一些人覺(jué)得探討氣候變暖的影響為時(shí)尚早，甚至對(duì)此持懷疑態(tài)度，但氣候變暖的影響很“現(xiàn)實(shí)”，水稻就是“受害者”之一。陜西師范大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)此前在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究快報(bào)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究，揭示了大米質(zhì)量變化與氣候的關(guān)系。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了和大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)不一樣的指標(biāo)，用整精米率（完全碾磨后精米粒長(zhǎng)度的四分之三）來(lái)衡量稻米品質(zhì)，這也是科學(xué)家對(duì)優(yōu)質(zhì)大米的一個(gè)常見(jiàn)評(píng)判方式。研究結(jié)果顯示，從1985年至2020年，我國(guó)的優(yōu)質(zhì)大米產(chǎn)出率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均每十年下滑1.45%。無(wú)獨(dú)有偶，日本的第一等優(yōu)質(zhì)米產(chǎn)出率也總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，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(zhì)和氣象因素如夜間溫度、日間溫度、日降水量、太陽(yáng)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(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性最高的是夜間溫度。也就是說(shuō)，夜間溫度越高，大米品質(zhì)越差，反之則越好，當(dāng)夜間溫度超過(guò)18℃時(shí)，優(yōu)質(zhì)大米的產(chǎn)出率會(huì)明顯下降。

近年來(lái)，全球氣候變化屢屢導(dǎo)致極端高溫天氣，嚴(yán)重威脅著糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。多國(guó)農(nóng)業(yè)模型分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球平均氣溫每升高1℃，將直接導(dǎo)致水稻產(chǎn)量減少6.6%至25%，同時(shí)伴隨稻米品質(zhì)的嚴(yán)重劣化。更令人擔(dān)憂的是，遏制氣候變暖是個(gè)長(zhǎng)期工程，換句話說(shuō)，氣候變化對(duì)于優(yōu)質(zhì)大米產(chǎn)出率的影響還將繼續(xù)，如何避免大米質(zhì)量持續(xù)下降是一個(gè)擺在各國(guó)科學(xué)家面前迫切而嚴(yán)峻的課題。

耐熱基因可助水稻應(yīng)對(duì)氣候變暖

國(guó)家政策上的投入畢竟有限，氣候變暖的步伐一時(shí)又慢不下來(lái)，那怎么做才能保護(hù)糧食安全呢？科學(xué)家將目光投向了水稻基因。

既然在氣候影響導(dǎo)致整精米率下降的大環(huán)境下，可以通過(guò)遺傳育種改良和技術(shù)優(yōu)化等手段讓米飯?jiān)絹?lái)越好吃，那就意味著面對(duì)氣候變暖對(duì)于水稻品質(zhì)的負(fù)面影響，一樣會(huì)有解決方案，其背后是關(guān)于水稻的生物學(xué)本質(zhì)探究。

生物能夠很好地存活和發(fā)展，必然要長(zhǎng)期進(jìn)化適應(yīng)環(huán)境，對(duì)溫度的適應(yīng)就是一個(gè)典型案例。生命活性有機(jī)大分子如蛋白質(zhì)、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(zhì)會(huì)被高溫破壞，生物膜系統(tǒng)中的脂類(lèi)在高溫下也會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致生物活性受損。

對(duì)于水稻來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)年的適應(yīng)進(jìn)化，它往往會(huì)選擇一個(gè)和日常氣候相對(duì)匹配的狀態(tài)以保障生存繁殖，且避免過(guò)度消耗。對(duì)于高溫，水稻的耐受性臨界溫度在34℃左右。當(dāng)超過(guò)這個(gè)溫度范圍時(shí)，水稻不僅會(huì)調(diào)整自身的光合與呼吸、蒸騰生理過(guò)程等來(lái)應(yīng)對(duì)，還會(huì)通過(guò)內(nèi)部生物反應(yīng)如大量合成超氧化物歧化酶等來(lái)降低高溫對(duì)細(xì)胞造成的損傷。

這種應(yīng)對(duì)高溫的自我調(diào)節(jié)對(duì)于水稻本身有利，但是對(duì)人們需求的水稻品質(zhì)和產(chǎn)量可就不一定有利了。比如，在水稻灌漿期（稻穗開(kāi)花后到谷粒成熟的時(shí)期，是淀粉、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水稻籽粒中轉(zhuǎn)化和積累的過(guò)程）遇到高溫，會(huì)導(dǎo)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(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)）、直鏈淀粉含量、膠稠度等米質(zhì)主要指標(biāo)受到影響。

基因決定性狀，如果能找到水稻在被高溫脅迫時(shí)的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制，針對(duì)性地改善水稻對(duì)高溫的應(yīng)對(duì)，同時(shí)減少對(duì)水稻品質(zhì)、產(chǎn)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(guó)多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)一直致力于水稻抗熱研究。

最新的一項(xiàng)水稻耐熱研究來(lái)自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。與以往的溫室篩選、苗期鑒定不同，該團(tuán)隊(duì)十余年來(lái)在大田中對(duì)水稻灌漿期這一對(duì)高溫非常敏感且決定水稻質(zhì)和量的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了大田耐熱水稻篩選鑒定，最終找到一個(gè)可以對(duì)抗高溫的主效QTL（數(shù)量性狀基因）——QT12。

水稻通過(guò)一系列復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)QT12。其中，當(dāng)高溫脅迫時(shí)，水稻對(duì)QT12的抑制會(huì)減弱，于是該基因就會(huì)過(guò)度激活未折疊蛋白反應(yīng)（UPR），從而破壞水稻胚乳貯藏物質(zhì)的穩(wěn)定性。這些物質(zhì)既是水稻產(chǎn)量的核心，也是影響水稻口感、營(yíng)養(yǎng)等的質(zhì)量關(guān)鍵，從而導(dǎo)致水稻的質(zhì)量和產(chǎn)量下降。如果對(duì)該基因進(jìn)行調(diào)控，便能影響水稻的高溫應(yīng)對(duì)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(zhì)和產(chǎn)量。

基于這項(xiàng)研究，研究團(tuán)隊(duì)在武漢、杭州和長(zhǎng)沙等長(zhǎng)江流域典型水稻種植區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模田間試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低表達(dá)QT12可以讓水稻很好地耐受高溫環(huán)境，與沒(méi)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(chǎn)量提高54.7%至92.5%，與此同時(shí)，稻米的堊白率和堊白度均顯著下降，外觀品質(zhì)和食味品質(zhì)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(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的全新分子機(jī)制和育種策略，填補(bǔ)了作物籽粒灌漿期品質(zhì)高溫耐受性領(lǐng)域的科學(xué)空白，還為解決全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展問(wèn)題提供了重要理論依據(jù)和技術(shù)支持。

當(dāng)然，作為長(zhǎng)期與自然環(huán)境進(jìn)化適應(yīng)的結(jié)果，水稻應(yīng)對(duì)高溫的機(jī)制遠(yuǎn)不止QT12。2022年，《科學(xué)》雜志上曾發(fā)表過(guò)中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心關(guān)于水稻耐高溫的研究，該團(tuán)隊(duì)定位克隆到了一個(gè)控制水稻高溫抗性的基因位點(diǎn)TT3，該基因能夠在高溫誘導(dǎo)下發(fā)生蛋白定位改變，進(jìn)而提高對(duì)高溫脅迫的應(yīng)對(duì)能力，而TT3.1-TT3.2遺傳模塊的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于水稻熱敏感及產(chǎn)量等都具有重要影響。此外，國(guó)內(nèi)外研究人員還發(fā)現(xiàn)了諸如Spl、OsGS1/2等一系列與水稻耐熱相關(guān)的基因，這些基因都為科學(xué)家改良水稻應(yīng)對(duì)高溫脅迫、提高水稻質(zhì)量和產(chǎn)量提供了重要參考。

基因調(diào)控或是糧食穩(wěn)產(chǎn)保質(zhì)的關(guān)鍵

事實(shí)上，水稻的質(zhì)量和產(chǎn)量受到多種因素的綜合影響，僅僅應(yīng)對(duì)高溫脅迫遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其他關(guān)于水稻的生物遺傳、基因調(diào)控等研究還需持續(xù)。

以我們對(duì)米飯蒸煮和食味品質(zhì)的感知為例，常說(shuō)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(guān)。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(zhì)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(guān)，其背后是不同聚合度的支鏈淀粉比例改變。

從根本上來(lái)看，淀粉受控于基因的影響，典型例子就是蠟質(zhì)基因（Wx），它能夠催化合成直鏈淀粉，而蠟質(zhì)基因有多個(gè)復(fù)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(diào)控。因此，科學(xué)家認(rèn)為，對(duì)已知有用的基因進(jìn)行改造和調(diào)節(jié)，是目前改善稻米品質(zhì)的重要有效途徑。

近些年來(lái)，對(duì)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(guó)科學(xué)家在《細(xì)胞》期刊上展示了組裝31個(gè)遺傳多樣性水稻種質(zhì)基因組并結(jié)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(guó)科學(xué)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(cè)序、組裝，構(gòu)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(xiàn)有20%的基因是野生水稻特有，并具有抵御疾病、適應(yīng)環(huán)境等性狀優(yōu)勢(shì)，證明野生水稻可以作為培育抗病、抗逆水稻品種的基因來(lái)源。

在基因組信息不斷完善的今天，科學(xué)家將尋找和發(fā)現(xiàn)更多影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的基因。而近些年基因編輯技術(shù)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(duì)性地對(duì)水稻的相關(guān)特性進(jìn)行分子育種改良，研發(fā)新品種。比如，2022年中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所在《科學(xué)》雜志上展示了一個(gè)水稻高產(chǎn)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(duì)照組的產(chǎn)量提高了30.1%至68.3%。同年，我國(guó)另一個(gè)團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上介紹的重要基因OsKRN2能使水稻產(chǎn)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(chǎn)量提高10%。類(lèi)似的研究近些年來(lái)屢屢出現(xiàn)，為科學(xué)界揭示了分子育種的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，給新時(shí)代農(nóng)業(yè)帶來(lái)了希望。

當(dāng)然，對(duì)于改造后水稻品種的推廣還需進(jìn)行審慎研究，其植物分子特征、長(zhǎng)期的遺傳穩(wěn)定性、環(huán)境安全和食用安全評(píng)價(jià)等都應(yīng)接受長(zhǎng)周期的檢驗(yàn)。

民以食為天，食以糧為先，糧食安全是“國(guó)之大者”。盡管面臨諸如氣候變化、抗病防御及品質(zhì)變化等諸多挑戰(zhàn)，但有現(xiàn)代科技的加持，科學(xué)家有信心找到分子改良和應(yīng)對(duì)策略，實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量和質(zhì)量的改善，保證糧食安全和穩(wěn)產(chǎn)。

（作者為中國(guó)科學(xué)院西南生物多樣性中心生物學(xué)博士）