基因改造能让水稻“不怕热”吗

华中农业大学日前透露，该校作物遗传改良全国重点实验室李一博教授团队新发现一种让水稻“不怕热”的关键基因，并解析了其调控水稻耐高温的机制，研究成果发表在国际学术期刊《细胞》上。近年来，全球极端高温天气事件频发，已成为威胁粮食安全的重要因素之一。如何实现水稻在高温环境下稳产，培育抗高温新品种具有重大战略意义。

米饭越来越香不是错觉

这些年来，大家可能普遍有一种感觉，那就是餐桌上的米饭越来越好吃了。这并不是一种错觉。今年初，国际科学期刊《自然》发表了中国水稻研究所的一篇论文，其中证实，我国的水稻品质正在稳步提升。

对于公众而言，米饭好吃与否更多是一种感觉上的差异，但对于科学家来说，这些感觉差异是可以进行定性定量的。国家标准《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》对米饭感官评价进行了标准化定量分析，涉及气味（特有香气、有异味）、外观结构（颜色、光泽、完整性）、适口性（黏性、软硬度、弹性）、滋味（纯正性、持久性）和冷饭质地（成团性、黏弹性、硬度）5个方面。

中国水稻研究所稻米质量安全评估创新团队一直在持续监测我国稻米的食用品质变化。此次，团队依据通行国标方法进行检测，结果发现，我国稻米的平均食味评分值已从2009年的74.9分提升至2023年的80.3分，米饭闻着更有香气，颜色洁白有光泽且更完整，食用起来也更加滑爽有嚼劲，软硬适中。这一分值的提升，离不开我国对于水稻研发、生产的持续投入。

杂交水稻之父、著名科学家袁隆平先生利用野生稻与栽培稻杂交，大幅提高了水稻产量，应对粮食危机。如今，在“吃饱”的基础上，公众对稻米的质量和食用体验有了更高的需求。因此，近些年来，国内对于水稻的科研投入不只是产量优先，而是注重量、质并举。

经过多年努力，我国水稻的全要素生产率（TFP）（指在水稻生产过程中，扣除所有要素投入后的产出增值，反映了技术进步、组织创新和专业化等因素对水稻产出的贡献）从2009年的0.43上涨到2020年的0.55，这表明水稻生产高质量发展不仅提高了水稻的外观和口感，还提升了水稻生产的附加值。支撑这一数据的“功臣”，既有科学家为遗传育种改良做出的贡献，更离不开科学管理、技术优化和国家投入（如粮食直接补贴政策）。

温度升高影响大米质量

大米口感在提升，但科学家仍然有一大隐忧，那就是如何应对气候变暖对于粮食生产造成的影响。

社会上，有一些人觉得探讨气候变暖的影响为时尚早，甚至对此持怀疑态度，但气候变暖的影响很“现实”，水稻就是“受害者”之一。陕西师范大学科研团队此前在国际学术期刊《地球物理研究快报》上发表的一项研究，揭示了大米质量变化与气候的关系。

研究团队选择了和大米蒸煮食用品质感官评价不一样的指标，用整精米率（完全碾磨后精米粒长度的四分之三）来衡量稻米品质，这也是科学家对优质大米的一个常见评判方式。研究结果显示，从1985年至2020年，我国的优质大米产出率总体呈现下降趋势，平均每十年下滑1.45%。无独有偶，日本的第一等优质米产出率也总体呈现下降趋势，在1996年至2010年期间，平均每十年下滑7.6%。研究人员将稻米品质和气象因素如夜间温度、日间温度、日降水量、太阳辐射、云量、日间蒸汽压亏缺（可反映空气湿度）及二氧化碳浓度等情况进行了关联分析，发现相关性最高的是夜间温度。也就是说，夜间温度越高，大米品质越差，反之则越好，当夜间温度超过18℃时，优质大米的产出率会明显下降。

近年来，全球气候变化屡屡导致极端高温天气，严重威胁着粮食作物的产量和品质。多国农业模型分析和统计数据显示，全球平均气温每升高1℃，将直接导致水稻产量减少6.6%至25%，同时伴随稻米品质的严重劣化。更令人担忧的是，遏制气候变暖是个长期工程，换句话说，气候变化对于优质大米产出率的影响还将继续，如何避免大米质量持续下降是一个摆在各国科学家面前迫切而严峻的课题。

耐热基因可助水稻应对气候变暖

国家政策上的投入毕竟有限，气候变暖的步伐一时又慢不下来，那怎么做才能保护粮食安全呢？科学家将目光投向了水稻基因。

既然在气候影响导致整精米率下降的大环境下，可以通过遗传育种改良和技术优化等手段让米饭越来越好吃，那就意味着面对气候变暖对于水稻品质的负面影响，一样会有解决方案，其背后是关于水稻的生物学本质探究。

生物能够很好地存活和发展，必然要长期进化适应环境，对温度的适应就是一个典型案例。生命活性有机大分子如蛋白质、DNA等都有一定的温度活性范围，否则就可能造成损伤，比如，蛋白质会被高温破坏，生物膜系统中的脂类在高温下也会出现结构变化，从而导致生物活性受损。

对于水稻来说，经过无数年的适应进化，它往往会选择一个和日常气候相对匹配的状态以保障生存繁殖，且避免过度消耗。对于高温，水稻的耐受性临界温度在34℃左右。当超过这个温度范围时，水稻不仅会调整自身的光合与呼吸、蒸腾生理过程等来应对，还会通过内部生物反应如大量合成超氧化物歧化酶等来降低高温对细胞造成的损伤。

这种应对高温的自我调节对于水稻本身有利，但是对人们需求的水稻品质和产量可就不一定有利了。比如，在水稻灌浆期（稻穗开花后到谷粒成熟的时期，是淀粉、蛋白质等营养物质在水稻籽粒中转化和积累的过程）遇到高温，会导致水稻的整精米率、垩白度（垩白是稻米胚乳中白色不透明的部分，为稻米外观品质的一个重要指标）、直链淀粉含量、胶稠度等米质主要指标受到影响。

基因决定性状，如果能找到水稻在被高温胁迫时的内部调节机制，针对性地改善水稻对高温的应对，同时减少对水稻品质、产量的影响，那么就可以一定程度上解决水稻在气候变化中的生存难题。为此，我国多个科研团队一直致力于水稻抗热研究。

最新的一项水稻耐热研究来自华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室。与以往的温室筛选、苗期鉴定不同，该团队十余年来在大田中对水稻灌浆期这一对高温非常敏感且决定水稻质和量的关键节点，进行了大田耐热水稻筛选鉴定，最终找到一个可以对抗高温的主效QTL（数量性状基因）——QT12。

水稻通过一系列复杂的基因网络来调节QT12。其中，当高温胁迫时，水稻对QT12的抑制会减弱，于是该基因就会过度激活未折叠蛋白反应（UPR），从而破坏水稻胚乳贮藏物质的稳定性。这些物质既是水稻产量的核心，也是影响水稻口感、营养等的质量关键，从而导致水稻的质量和产量下降。如果对该基因进行调控，便能影响水稻的高温应对体系，平衡贮藏蛋白与淀粉合成稳态，以稳定稻米的品质和产量。

基于这项研究，研究团队在武汉、杭州和长沙等长江流域典型水稻种植区进行了大规模田间试验。结果发现，低表达QT12可以让水稻很好地耐受高温环境，与没有改造的野生型水稻相比，接受基因编辑的QT12突变株系能让水稻产量提高54.7%至92.5%，与此同时，稻米的垩白率和垩白度均显著下降，外观品质和食味品质双双提升。研究人员表示，这一成果揭示了水稻在自然高温环境下协同实现优质高产的全新分子机制和育种策略，填补了作物籽粒灌浆期品质高温耐受性领域的科学空白，还为解决全球粮食安全与农业可持续绿色发展问题提供了重要理论依据和技术支持。

当然，作为长期与自然环境进化适应的结果，水稻应对高温的机制远不止QT12。2022年，《科学》杂志上曾发表过中国科学院分子植物科学卓越创新中心关于水稻耐高温的研究，该团队定位克隆到了一个控制水稻高温抗性的基因位点TT3，该基因能够在高温诱导下发生蛋白定位改变，进而提高对高温胁迫的应对能力，而TT3.1-TT3.2遗传模块的动态变化，对于水稻热敏感及产量等都具有重要影响。此外，国内外研究人员还发现了诸如Spl、OsGS1/2等一系列与水稻耐热相关的基因，这些基因都为科学家改良水稻应对高温胁迫、提高水稻质量和产量提供了重要参考。

基因调控或是粮食稳产保质的关键

事实上，水稻的质量和产量受到多种因素的综合影响，仅仅应对高温胁迫远远不够，其他关于水稻的生物遗传、基因调控等研究还需持续。

以我们对米饭蒸煮和食味品质的感知为例，常说的米饭软硬、口感背后，很大程度上是和稻米所含的淀粉有关。直链淀粉的含量决定了米饭的硬度、弹性和黏性，直链淀粉含量适中或者较低，则米质较软、光泽度较好且适口性更好。而米饭煮熟后的透明度则与淀粉的糊化温度有关，其背后是不同聚合度的支链淀粉比例改变。

从根本上来看，淀粉受控于基因的影响，典型例子就是蜡质基因（Wx），它能够催化合成直链淀粉，而蜡质基因有多个复等位基因，并和其他如淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉脱支酶等一系列基因共同发挥作用。同理，水稻香味、水稻粒型等都受到基因调控。因此，科学家认为，对已知有用的基因进行改造和调节，是目前改善稻米品质的重要有效途径。

近些年来，对于水稻的基因组研究为改良水稻提供了更好的参考。2021年，我国科学家在《细胞》期刊上展示了组装31个遗传多样性水稻种质基因组并结合已有水稻基因组形成的水稻泛基因组，为水稻遗传多样性研究提供了参考。2025年，《自然》期刊发表了我国科学家基于129份普通野生水稻和16份亚洲栽培水稻的基因组测序、组装，构建的覆盖野生型和栽培型水稻全景泛基因组图谱，拓展了水稻基因改良的空间。该研究发现有20%的基因是野生水稻特有，并具有抵御疾病、适应环境等性状优势，证明野生水稻可以作为培育抗病、抗逆水稻品种的基因来源。

在基因组信息不断完善的今天，科学家将寻找和发现更多影响水稻产量和品质的基因。而近些年基因编辑技术的发展，给水稻改良提供了全新工具，突破了传统育种和杂交育种的限制，更加有针对性地对水稻的相关特性进行分子育种改良，研发新品种。比如，2022年中国农业科学院作物科学研究所在《科学》杂志上展示了一个水稻高产基因OsDREB1C的效果，该基因能够提高光合作用效率和氮素利用效率，比对照组的产量提高了30.1%至68.3%。同年，我国另一个团队在《科学》杂志上介绍的重要基因OsKRN2能使水稻产量增加8%，不仅如此，该基因在玉米中的同源基因还能将玉米产量提高10%。类似的研究近些年来屡屡出现，为科学界揭示了分子育种的强大优势，给新时代农业带来了希望。

当然，对于改造后水稻品种的推广还需进行审慎研究，其植物分子特征、长期的遗传稳定性、环境安全和食用安全评价等都应接受长周期的检验。

民以食为天，食以粮为先，粮食安全是“国之大者”。尽管面临诸如气候变化、抗病防御及品质变化等诸多挑战，但有现代科技的加持，科学家有信心找到分子改良和应对策略，实现水稻产量和质量的改善，保证粮食安全和稳产。

（作者为中国科学院西南生物多样性中心生物学博士）