问题——倒春寒叠加"隐性饥饿"制约春播玉米稳产。玉米是我国重要的饲料与工业原料作物,也是全球主要粮食作物之一。近年来,春季气温波动加剧,"倒春寒"多地春播期频繁出现,常导致玉米出苗慢、幼苗生长受阻,影响后期穗粒形成和产量。生产实践表明,低温胁迫往往伴随作物营养吸收障碍,其中磷供应不足尤为突出——"看得见的受冻"和"看不见的缺磷"同时发生,成为稳产增产的难点。原因——低温"锁磷"与生长调控之间存在矛盾。磷是植物能量代谢、细胞分裂和信号调控的关键元素。低温条件下,土壤中磷的有效性下降,根系活力减弱,作物更难吸收磷。更复杂的是,玉米体内存在一套精细的逆境应答与养分分配系统:在抗寒信号增强的同时,部分途径会抑制磷转运与吸收,导致耐冷与磷利用效率之间出现负有关。该矛盾使得传统育种在提高耐冷性的同时,可能以磷吸收能力下降为代价。影响——稳产压力与肥料高效利用双重挑战凸显。在气候变化背景下,极端天气带来的生产不确定性上升,玉米春播期冷害风险增加,影响区域扩大。同时,磷肥属于不可再生资源,提高磷利用效率不仅关系到种植成本与产量效益,也关系到农业绿色发展与面源污染防控。如何在低温条件下同时提升抗逆能力和养分利用效率,成为作物遗传改良与栽培管理面临的现实课题。对策——在关键"分流阀门"上精准改造,实现耐冷与吸磷兼得。2月26日,中国农业大学生物学院植物抗逆高效全国重点实验室杨淑华教授、施怡婷教授团队在国际期刊《自然》发表研究成果,提出通过重构E3泛素连接酶NLA实现协同改良的新策略。研究显示,NLA在低温条件下会在体内积累:一上通过降解抑制抗寒信号的相关组分,增强耐冷反应;另一方面又会识别并促进磷转运蛋白的降解,从而抑制根系吸磷。为打破这一矛盾,团队结合结构分析与分子对接,锁定NLA中负责感知信号分子的关键区域,并利用基因编辑手段对NLA基因进行12个碱基的定点删除,构建新变体NLAΔ12。改造后,耐冷功能得以保留,而对磷转运的不利影响显著减弱,从机制上实现"解耦"。为检验应用潜力,研究团队在吉林公主岭、河北涿州和海南三亚开展多点田间试验。结果显示,在低温逆境条件下,携带该变体的改良材料籽粒产量较对照提高约10%—15%,表现出较好的稳产增产能力。研究还在自交系材料中发现与相关蛋白泛素化位点有关的优良自然变异,并与人工改造材料进行组合,后代在保持耐冷优势的同时,磷吸收能力深入增强,呈现叠加效应,为后续育种利用提供了更具操作性的遗传资源组合。前景——为"面向复杂环境的协同改良"提供可复制思路。业内专家认为,此项工作不仅回答了耐冷与磷利用效率如何协同提升的科学问题,也为作物复杂性状的定向设计改良提供了新范式。随着分子设计育种与多点环境验证体系完善,该策略有望加快导入主栽品种,服务冷害风险较高地区的春播生产。同时,相关研究提示,这一"解耦式"思路未来可拓展至氮等关键营养元素的高效利用调控,助力培育适应低温、贫瘠等多重胁迫环境的新品种,为粮食稳产增产与投入品减量增效提供科技支撑。
面对气候变化与粮食安全的双重挑战,这项源自基础研究的突破,不仅改写了作物抗逆育种的底层逻辑,更表明了我国农业科技从跟跑向领跑的跨越。当实验室的创新成果应用到广袤田野,这场关于粮食安全的科技攻坚战,正孕育着更丰硕的成果。