中国科学家研发“一箭双雕”水稻智能分子模块，兼顾耐寒与氮高效利用

中新网北京6月17日电 (记者 孙自法)如何同步提升水稻等作物的耐寒抗逆性与氮肥利用效率，是全球农业面临的重大挑战，也是植物逆境生物学领域的关键科学问题。中国科学院近日发布消息称，中国科学家通过合作攻关，在这一方向取得突破性进展，成功研发出一种“一箭双雕”的水稻智能分子模块。

核心突破：兼顾耐寒与氮效的分子模块

据中国科学院披露，该智能分子模块能够同时作用于水稻的耐寒抗逆能力和氮肥利用效率。这一成果为培育兼具耐寒、稳产、氮高效利用特性的水稻新品种提供了全新的策略。

“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。”

技术概念解读：何为“智能分子模块”？

所谓“智能分子模块”，在此次报道的语境中，专指科学家通过基因编辑或分子设计等手段，研发出的一组能够协同调控多个性状的基因元件。它并非单个基因，而是一套功能单元，能够感知环境信号并作出响应，从而使作物既能在低温胁迫下维持生长，又能高效吸收利用氮素，避免氮肥浪费或烧苗。

应用意义：瞄准粮食安全与绿色农业

该研究成果的核心价值在于，直接回应了“粮食安全”与“资源高效利用”两大农业命题。通过这一模块，未来水稻品种有望在保障稳产的前提下，减少氮肥施用量，同时提升对冷害的抵抗能力，这将对寒地稻作区及全球气候变化背景下的可持续农业产生直接影响。

• 耐寒性提升：使水稻在低温环境中维持更强的生理活性，减少减产风险。
• 氮高效利用：增强作物对土壤及肥料中氮素的吸收转化率，降低农业投入成本与面源污染。
• 稳产保障：在不牺牲基础产量的前提下，实现抗逆性与资源利用效率的协同优化。

研究背景：来自中国科学院的协作攻关

此项突破由中国科学院主导，联合多家研究机构协同攻关完成。研究团队针对传统育种中“抗逆性”与“高产高效”难以兼得的技术难点，通过分子层面设计，实现了性状的“一箭双雕”。目前，该模块已进入验证阶段，后续将推进向主栽水稻品种的导入与应用推广。

中科院植物所等团队在《自然》发表水稻耐寒与氮利用协同机制研究

中国科学院植物研究所种康院士研究团队联合崖州国家实验室钱前院士等，完成一项水稻育种领域重要研究，相关成果论文于北京时间6月17日夜间在国际学术期刊《自然》上线发表。

研究揭示寒害恢复与氮素利用的独立遗传调控机制

该研究提出具有智能模块的“分子盾牌”与高效氮利用功能的“耐寒水稻”设计思路。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，全球气候变化引发的区域性气候异常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在加剧。

水稻是典型喜温作物，寒害常导致严重减产甚至绝收。农业生产中常通过增施氮肥促进寒害后分蘖再生以减轻产量损失。

系统性认识水稻耐寒性与氮素利用效率的协调机制

论文指出，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。该研究为培育兼具耐寒性和高效氮利用的水稻品种提供了新思路。

• 智能模块的“分子盾牌”指水稻中抵御寒害的分子调控机制
• 高效氮利用功能意味着水稻在减少氮肥施用的同时仍能维持生长
• 该成果基于研究团队对水稻寒害恢复与氮代谢协同的遗传解析

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

水稻耐寒与氮高效协同难题获新突破 研究鉴定出关键基因模块

中国科学院植物研究所近日披露了一项最新研究进展。研究团队通过遗传学与分子生物学方法，鉴定出一种在寒害后能同时激活氮吸收与分蘖再生的关键基因模块，为解决水稻生产中长期存在的耐寒与氮高效利用不可兼得的困境提供了新的改良思路。

研究核心：寒害后分蘖再生率成为评价“韧性”新指标

本研究以粳稻品种空育131（KY131）和籼稻品种浙辐802（ZF802）构建的重组自交系群体为实验材料。研究团队创新性地将寒害后分蘖再生率作为评价水稻寒害韧性的关键指标，通过基因定位技术，锁定控制寒害韧性的主效位点，并利用图位克隆方法成功鉴定出该主效基因。

分子机制：粳稻等位基因展现“动态切换”调控能力

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，导致两种蛋白对低温的响应路径和DNA识别偏好性产生相反效果。具体表现为：过表达粳稻等位基因能显著提升水稻的耐寒性以及寒害后的分蘖再生能力，而过表达籼稻等位基因则呈现相反效应。群体遗传学分析结果显示，粳稻这一优良等位基因在水稻驯化过程中受到了自然选择。

“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。”——研究团队

机制详解：不同温度阶段执行不同调控任务

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其调控程序：

• 寒害阶段：激活耐寒相关基因表达，提高植株的耐寒能力。
• 常温恢复阶段：直接激活氮吸收相关基因，并抑制分蘖的负调控基因，从而增强寒害后的恢复生长能力，减少对额外氮肥投入的依赖。

这一发现为理解水稻如何协调抗逆性与营养吸收提供了新的维度，该分子模块具备将寒害信号直接对接氮代谢与发育信号的潜力。研究展示的常见农艺措施效果图由AI生成，中国科学院植物研究所供图。

中国科学院植物研究所揭示水稻耐寒性及寒害后分蘖再生分子机制

中国科学院植物研究所研究团队创建寒害韧性表型体系，阐明了调控水稻耐寒性和寒害后分蘖再生的分子机制，相关田间试验数据显示了粳稻等位基因在稳产和氮肥高效利用方面的育种潜力。

寒害韧性表型体系与田间验证

研究团队通过建立寒害韧性表型体系，模拟低温寒害后水稻恢复生长过程。田间试验在不同氮肥恢复条件下进行，结果显示：过表达粳稻等位基因的植株，其单株产量和氮利用效率均高于野生型；而主效基因突变体则表现相反趋势。

寒害韧性表型体系是指用于系统评估水稻遭受低温灾害后恢复生长能力、产量稳定性及养分利用效率的试验系统。

粳稻等位基因的育种潜力

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。研究人员指出，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。

智能分子模块指能够响应低温信号、调控寒害后分蘖再生和氮代谢相关基因的一类基因组合，属于水稻抗逆功能模块。