热点资讯遗传发育所科学家破解作物花期按需抗冷的“杀手锏”机制
我国在作物生育期冷害感知机制与韧性稳产设计育种领域取得重大突破。北京时间2026年6月3日23:00，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员带领的智能育种攻关团队在国际期刊Nature上发表题为Cold-induced peptide signalling secures pollen resilience and crop yield的研究论文，发现首个作物生育期低温感知的小肽信号，破解了作物生育期冷害韧性减损的杀手锏机制，为应对气候变化造成的农业灾害，保障粮食安全提供新的基础理论指导和育种改良基因资源。Nature同期配发题为‘Hidden hero’peptides guard crops against sudden cold的评论。审稿人认为该项基础研究的原创发现和育种利用是在全球气候变化加剧的重重挑战下为世界粮食安全保驾护航的重大突破，引领作物育种基础理论创新和育种技术应用从“持续抗性的高产耐逆不可兼得”到“逆境韧性的顺境高产逆境稳产”的气候韧性农业的范式转变。
全球气候变化引发的环流异常造成剧烈的温度波动与不可预测的冷害，尤其是农作物进入花期后，突如其来的“倒春寒”、“早霜冻”、“寒露风”等频繁发生，短短几天的花期低温便可造成不可逆花粉败育和无法结实，常导致全球主粮作物遭遇大面积受精障碍与结实率下降，平均减产幅度在20%至60%之间，每年给全球农业生产造成的直接经济损失高达数十亿美元。仅2024年，我国农作物受灾面积就高达1400万亩，直接造成的经济损失达256.2亿元，威胁我国粮食安全和农业可持续发展。作物花期冷害严重年份可直接导致区域性粮食减产达50亿至100亿公斤。全球气候变化导致春季回温提前，果树物候期普遍提前，但冷空气依然频繁南下，形成“先暖后冷”的剧烈温差，花期和幼果期正好暴露在冷空气的“攻击窗口”内，导致不同果树平均减产达20%–50%。
花期冷害难以防范，灌水延迟花期、熏烟、覆盖等被动传统防御措施成本高、收效低。灾后补救（剪枝、追肥等）更是“亡羊补牢”。从本质上讲，缺乏抗冻的主动基因手段——如同缺乏“御寒外衣”，仅靠临时的“烤火”难以从根本上解决问题。长期以来，人们更多关注作物在苗期和营养生长期对低温的适应能力。相比之下，作物花期低温适应机制的基础研究明显薄弱，关键可用的抗冷基因资源极为匮乏，使得花期防冷育种长期缺乏基础理论指导。
当前育种和生产上应对花期冷害的主要手段，仍高度依赖筛选鉴定耐冷种质，通过杂交的方式从耐冷种质中导入抗性基因，一个育种周期往往长达七八年甚至十余年，远不足以应对气候变暖背景下日益频繁的突发性冷害，而且筛选获得的多是持续抗性基因，在常温下也会持续激活耐冷机制，空耗大量能量，虽持续耐冷却影响了常温下的产量，造成“高产耐冷不可兼得”的困局。破解作物花粉发育低温感知和信号转导机制，发掘利用花期低温韧性基因，推动作物改良从“持续抗性的高产耐逆不易兼得”到“气候韧性的顺境高产逆境稳产”转变是破局的关键。
破解上述难题，首先要解决发育期花粉取样分析难、真实农业低温条件重现难、韧性基因鉴定难等三大难题。为此，许操研究员带领团队转换思路，通过寻找合适的模式植物，实验室环境与实际农业生境交替筛选验证，聚焦基因组的隐秘基因等“组合拳”，选定了花序合轴生长和花朵次序发育的番茄作为研究模式，花费3年时间在早春大棚、越冬大棚、露地大田等不同场景的真实农业生产环境和温度自然波动的条件下，建立了一套高效取样分析方法，综合运用传感技术、多维组学、基因编辑和人工智能等技术手段，经过前后长达8年的持续攻关，终于找到了在基因组中长期被注释为“功能未知”的小肽基因RGF，它编码一个仅含有13个氨基酸残基的短肽，它平时几乎不表达，在正常温度下对作物的生长发育没有可见影响，其功能缺失突变体植株生长正常，产量与野生型无显著差异，成功避免了常温下的能量空耗。然而一旦遭遇低温胁迫，它在花粉发育的关键阶段——四分体时期——便在花药绒毡层细胞中被显著激活，表达水平瞬时飙升。这种“平时深藏不露，冷害挺身而出”的独特表达模式，正是此基因资源被长期忽视的重要原因。进一步研究揭示，低温诱导表达的RGF小肽通过分泌到细胞外，被花药细胞膜上的细胞模表面受体激酶SlRGFR6和共受体SlSERK识别，形成受体复合体，该复合体随即磷酸化激活细胞膜上的环核苷酸门控通道SlCNGC16/18，引发细胞内钙离子浓度快速升高。这一钙信号精确地调控了花药绒毡层的程序性死亡进程——在低温条件下，这一信号确保了绒毡层在恰当的时间点按计划降解，从而为花粉的正常发育提供所需的营养和能量，有效避免了因绒毡层降解延迟所导致的花粉败育。这一小肽-受体-离子通道介导的全新分子途径形成的RGF低温信号轴，阐释了植物在面临不可预测的短期冷害时，如何通过“按需抗逆”实现精准高效的局部防御。
作物改良和多年多点多品种测产表明，激活这些RGF小肽的表达，在番茄中可挽回33.9%-52.2%的低温冷害引起的产量损失。RGF低温信号轴在双子叶和单子叶植物中保守，上调水稻中RGF同源基因的表达可增强花粉低温韧性，在当前主栽高产商业化水稻品种仍可挽回18%左右的低温冷害引起的产量损失，目前正在拓展应用于大豆、玉米等不同的冷害减损的作物改良。Nature杂志审稿人对该研究给予高度评价，称其为一项令人振奋的创新性突破(....representing an outstanding achievement and a significant breakthrough in the field of cold tolerance research....)，赞赏该研究贯通了实验室的分子机制解析到田间的作物改良应用，为应对气候变化下的粮食安全和气候韧性农业提供了“中国方案”，同时也为拓展作物种植区域，开发新粮仓提供新的理论依据和育种新路径。
中国科学院遗传发育所、种子创新全国重点实验室的许操研究员为该论文通讯作者，中国农业大学宋文教授为该论文共同通讯作者。许操研究员团队的博士后陈树栋为该论文第一作者，工程师邹玉盼、博士研究生崔桓硕、董庆丰、博士后杨丹丹、副研究员黄小珍对该研究作出了重要贡献。中国科学院遗传发育所植物激素创新平台的褚金芳研究员和团队的工程师程淑静、辛培勇在小肽鉴定分析中做出重要贡献，遗传发育所仪器平台工程师田彦宝、牟金叶对该研究提供了重要支持。该研究得到自然基金委项目基础科学中心项目和杰出青年基金项目资金以及中国农业大学启动资金支持。
（光明日报全媒体记者崔兴毅）