他们找到让水稻遇寒重生的“凤凰”

一场寒害来临，稻田冻得发蔫。农民急追一把氮肥，保住了产量，也污染了土壤。寒害频发、氮肥过量，这两道全球农业“枷锁”形成恶性循环，始终无法同步破解。

2024年，种康团队在分子育种基地。

中国科学院院士种康团队与合作者找到了水稻基因组里的一个“智能开关”CHPO（CHILLING PHOENIX），它能在寒冷中如同凤凰一样重生。寒害来袭时，它能守护稻苗存活；寒害过后，它能打开氮吸收和分蘖再生的通路，让水稻不仅存活，还能增产。近日，这项研究成果发表于《自然》。

论文共同通讯作者、中国科学院植物研究所（以下简称植物所）副研究员罗伟早在2006年便盯上了这一世界性难题，整整20年未曾搁置。

罗伟在田间观察水稻。

田埂上的难题

一次田间观察，为后续研究埋下伏笔。

2006年，罗伟从四川农业大学毕业，加入中国科学院院士钱前团队攻读硕士，开展水稻遗传育种研究。

水稻喜温，寒害常会造成减产甚至绝收。罗伟注意到，低温过后农民往往会多施一把氮肥，促进水稻萌发新分蘖——只有新分蘖才能结出有产量的穗子。但氮肥施多了，又会带来新的污染。

这两道难题在稻田中互相掣肘。当时，多数科研团队都是分开解题，搞耐寒研究的不碰氮利用，搞氮污染研究的不碰耐寒，很少有人从遗传和分子角度把两个方向打通。

罗伟设想：有没有一种基因，能同时管住水稻耐寒韧性和氮利用效率？

2009年，罗伟加入植物所种康团队，正式开启水稻耐寒性分子机制研究。对于他想研究的这道难题，种康毫无保留地给予支持。

为拿到可靠的表型数据，团队绕开田间多变的环境，在实验室里搭建了一套低温技术体系，能让水温稳定保持在4℃。

他们把装置设计成一口“锅”——底部装压缩机制冷，水在锅里循环流动，温度恒定在4℃。水稻就泡在这口“冷水锅”里，模拟田间冷水灌溉的低温胁迫环境。

团队与厂家反复磨合一年多，这一设备才研制完成，并申请了专利。“有了这套体系，表型鉴定才有稳定的基础。”罗伟告诉《中国科学报》。

接下来就是漫长的材料构建工作。研究团队选用粳稻品种空育131和籼稻品种浙辐802构建重组自交系群体。

为何选定这两个品种？罗伟向《中国科学报》解释，粳稻耐寒，多种植于北方高纬度稻区；籼稻怕冷，主要分布在南方。两个亲本表型差异越大，越容易定位到控制性状的基因。

研究初期，团队用“低温存活率”作为表型开展遗传定位，确实定位到一些控制耐寒的主效位点。可放到农学场景一验证却发现，存活率高不等于产量能恢复。有些苗虽然活着，但无法分蘖，最终还是没有产量。

问题出在指标本身。罗伟表示，“低温存活率”只回答了“苗死没死”，却没回答“活了之后能不能长”。可农民真正关心的是结果，即能不能收粮。

于是，团队决定换一个指标——不看存活率，改用“寒害后分蘖再生率”。不过，单是建立这套新指标，就耗费了一年多时间。

低温处理时长也难以把控，时间太长，稻苗全部死亡；时间太短，稻苗虽然都活着，也都能分蘖，却看不出差异。得找到合适的时间窗口，才能让约一半稻苗存活、另一半死亡。

可一次验证就要等两个月。水稻要先在4℃低温下处理，再转为常温恢复，半个月后才能看分蘖情况，两个月内任何一个环节没卡准，一切努力便归零。

罗伟（左）指导学生。

柳暗花明

屡屡受挫的日子，实验室的学生们难免感到沮丧。罗伟则有一套疏导方法——讲来时路。

攻读硕士期间，罗伟大部分时间泡在位于海南、杭州基地的稻田里。他每日清晨6点半下田；中午则顶着40℃高温脚踩水田，全身都湿透了；深夜再回到寝室写论文。第二天继续。

“辛苦是辛苦，但取得进展的时候，是真的开心。”罗伟说。

有时，他也会把学生们拉出去吃饭，放松心情后再回来一起分析哪里能改进。一次次实验下来，他们终于找到了那个稳定的时间窗口。

正是依托这套全新的表型指标，团队重新做了QTL（数量性状基因座）分析，定位到控制寒害韧性的主效位点qCR2。研究表明，同一遗传位点同时参与耐寒性和寒害恢复能力的调控。最终，他们通过图位克隆鉴定出这个主效基因，并命名为CHPO。

“CHPO并非简单的耐寒调控因子，而是一个能够根据环境变化动态切换功能状态的‘智能分子模块’，可以在不同生理阶段实现耐寒与氮高效利用之间的协同平衡。”罗伟说。

进一步分析后，他们发现，粳稻型等位基因CHPOjap和籼稻型等位基因CHPOind之间的差别极小，仅编码区GCG重复序列的拷贝数不同。

仅此一处微小变异，就让两种蛋白走上截然不同的路——将粳稻型基因“装”进水稻里，耐寒和分蘖能力双双提升；将籼稻型基因“装”进去，两项能力反而都下降了。

群体遗传学分析是植物所研究员葛颂团队的强项。经过研究，他们发现粳稻的优异基因CHPOjap在水稻驯化过程中被保留了下来。

这个优势基因是从哪儿来的？钱前团队在海南三亚建设的国家野生稻种质资源圃给出答案——经过测序发现，该优异基因可以追溯到中国普通野生稻。

“CHPO的发现，为设计培育具有智能特质的新品种，为作物抗逆稳产与绿色高效生产，都提供了新的遗传解决方案。”罗伟说。

做有价值的研究

若直接投稿《自然》，论文或许能更早发表。

2024年，团队先将研究成果投给了《细胞》。文章送审很快，4位审稿人里有3位没有修改意见。针对第四位审稿人的意见，他们又补了一年的实验数据。

遗憾的是，论文再次送审却未被接收。“可能《细胞》更偏重机制研究，而这项研究更偏农学应用。不过，审稿人提出的意见，对我们的研究而言很有价值。”罗伟说。

2025年，他们将论文改投《自然》。1个月后，审稿意见返回，他们仅用4个月就完成了补充实验。

《自然》审稿人对这项研究作出了高度评价，认为其“在寒害后恢复和氮素利用调控机制方面取得了扎实且具有重要意义的进展”。

罗伟始终清楚自己做科研是为了什么，尤其是站在稻田里，有一个声音直往上冒——为了这片土地。

他最爱去海南基地，去稻田里看表型。跟稻田打交道久了，在看到不错的表型时，他甚至会不由自主地跟稻子对话：“哎，你这个不错！要是再抗冻一点就更完美了。”

每逢招生，罗伟都会提前把话说透：“我们做的不是分子生物学，而是农学。既然是农学，就必须下田。插秧你得去，收种你得去，取样你必须亲自去。受不了这个苦，就别来了。”

言传身教下，团队里那些年轻面孔都能吃苦。海南收种，烈日炎炎，罗伟和学生们穿得严严实实，在田间穿梭。他走前面，学生跟在后面。

从田里回到住处，一身疲惫的罗伟闭目休息，仿佛看见北方寒地上翻涌着金黄稻浪，多年生稻完成越冬，萌发新芽。