38℃連續31天！上海這片水稻照常高產，背後研究登上《細胞》

模擬高溫的田間試驗顯示耐熱水稻結實率和米質大幅上升

今夏連續高溫，水稻熱得在田裏打蔫兒，極端情況下甚至會十粒九空。在上海松江，有一片“不怕熱”的稻田在經歷罕見連續高溫後，依然保持穩產，且米質基本不變。12月3日凌晨，國際頂尖學術期刊《細胞》發表的一篇論文，揭示了這片稻田“耐熱解暑”的祕密，這將爲應對全球變暖導致的糧食減產提供新的解決方案。

高溫會損害作物花粉活力、阻礙授粉與灌漿過程，明顯降低作物產量和品質，嚴重時水稻結實率可低至10%，畝產幾乎腰斬。頻繁、持續的高溫已成爲當下最嚴峻、最直接的糧食安全挑戰之一。數據顯示，年平均溫度每升高1℃，將會使水稻減產約3%—8%。

研究團隊位於上海松江的水稻試驗田

怎樣讓水稻遭遇極端高溫也能穩定產量？早在二十多年前，中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究員就不斷在基因和分子世界中，探索水稻如何抵抗高溫。經過多年努力，他的團隊在五年前成功鑑定到水稻中兩個關鍵調控因子DGK7和MdPDE1，通過與上海交通大學林尤舜研究員、廣州國家實驗室李亦學研究員合作，共同發現了水稻體內的一套精密協作的高溫“警報系統”。

TT2-DGK7-MdPDE1熱信號傳遞網絡

DGK7如同一個安裝在植物細胞膜上的溫度計，當它感受到高溫來襲時，就會將高溫物理信號轉化爲細胞能夠理解的“生物指令”，傳遞給細胞核上的MdPDE1，再由MdPDE1通知細胞核調動力量，大量生產熱激蛋白、活性氧清除酶等“抗熱武器”，使細胞從常態轉入“高溫應急狀態”。

不過，在長期進化中，水稻還會通過另外一些機制給“高溫警報”“抗熱武器”踩剎車，以防過度消耗能量，影響其正常生長。爲了釋放水稻的耐熱潛能，研究團隊通過遺傳設計，對水稻進行基因改良，一方面增強“警報”，促使細胞生產更多“抗熱武器”，另一方面減少“剎車”作用。

論文共同第一作者之一、該中心博士闞義介紹，他們在夏季大棚溫室中模擬最高46.95℃、連續31天超過38℃的極端高溫環境，“結果顯示，DGK7改良後的水稻株系產量僅損失25%，較對照組高出50%”。如果將該基因與他們之前發現的耐熱基因TT2同時改良，則水稻產量損失不足10%，且稻米口感也幾乎不受影響。

DGK7和MdPDE1高溫下保護水稻產量

“這一發現使我們未來可以象調節音量一樣，精準設計出‘梯度耐熱’水稻品種，以適應不同地區的氣候條件。”林鴻宣提到，根據該機制設計的耐熱水稻，並非只能在高溫脅迫下表現良好，在正常氣溫條件下也一樣產量穩定。

同時，研究團隊還發現，這套耐熱機制在小麥、玉米等主糧作物中也同樣適用，因此未來有望藉此提升更多作物的耐熱本領。