如何实现水稻既耐寒又氮高效？中国团队研发出智能分子育种新策略
中新网北京6月17日电 (记者 孙自法)如何同时提高水稻等作物耐寒抗逆性和氮肥利用效率，是关系粮食安全的世界农业面临的重大挑战，也是植物逆境生物学的重要科学问题。
来自中国科学院的最新消息说，中国科学家通过合作攻关，最近在这方面取得突破性进展：他们研发出“一箭双雕”的水稻智能分子模块，可为培育耐寒、稳产、氮高效利用的水稻新品种提供新策略。
本项研究具有智能模块的“分子盾牌”与高效氮利用功能的“耐寒水稻”示意图。中国科学院植物研究所 供图
这项水稻育种领域重要研究，由中国科学院植物研究所种康院士研究团队联合崖州湾国家实验室钱前院士等共同完成，相关成果论文北京时间6月17日夜间在国际学术期刊《自然》上线发表。
论文共同通讯作者、中国科学院植物研究所副研究员罗伟介绍说，全球气候变化引发区域性气候异常导致作物减产甚至绝收，而农业生产中过量施用氮肥造成的面源污染也不断加剧。
其中，水稻作为典型的喜温作物，寒害常导致作物严重减产甚至绝收。农业生产实践中常通过增施氮肥促进寒害后分蘖再生，以减轻产量损失。不过，水稻寒害恢复能力是否具有独立的遗传调控机制、植物如何协调耐寒性与氮素利用效率，这些议题此前尚缺乏系统认识。
本项研究展示的水稻生产中一种常见农艺措施效果图(图片由AI生成)。中国科学院植物研究所 供图
在本项研究中，研究团队以粳稻品种空育131(KY131)和籼稻品种浙辐802(ZF802)构建的重组自交系群体为材料，将寒害后分蘖再生率创新性地作为评价寒害韧性的关键指标，定位到控制寒害韧性的主效位点，并通过图位克隆鉴定出主效基因。
研究团队指出，该分子模块具有寒害激活高效氮吸收与分蘖的切换开关能力，从种质的遗传底层逻辑改良上，解决了耐寒与氮高效传统上不可兼得的难题。
这次研究发现，粳稻等位基因与籼稻等位基因的编码区存在差异，这导致两种蛋白对于低温的响应方式和DNA识别偏好性相反效果的差异：过表达粳稻等位基因能够显著提高水稻耐寒性和寒害后分蘖再生能力，而过表达籼稻等位基因则产生相反效果。群体遗传学分析表明，粳稻等位基因在水稻驯化过程中受到自然选择。
进一步的机制研究表明，粳稻等位基因能够根据寒害发生与恢复过程动态切换调控程序：在寒害阶段激活耐寒相关基因表达，提高植株耐寒能力；在常温恢复阶段，直接激活氮吸收基因和抑制分蘖负调控基因，增强寒害后的恢复生长能力，减少对额外氮肥投入的依赖。
本项研究调控水稻耐寒性和寒害后分蘖再生的分子机制示意图。中国科学院植物研究所 供图
为解决分子模块应用潜力，研究团队创建了寒害韧性表型体系。田间试验表明，在不同氮肥恢复条件下，过表达粳稻等位基因的植株均表现出高于野生型的单株产量和氮利用效率，而主效基因突变体则表现相反，说明粳稻等位基因在提高寒害后稳产能力和氮肥利用效率方面具有显著育种潜力。
种康院士表示，这一水稻智能分子模块的发现与新机制的阐释，不仅具有重要的理论意义，而且潜在的应用前景广阔。(完)
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