Nature | 中国科学院遗传发育所许操团队破解作物花期“按需抗冷”的杀手锏机制

2026年6月3日，中国科学院遗传与发育生物学研究所、种子创新全国重点实验室许操研究员带领的智能育种攻关团队在国际著名期刊Nature上发表题为Cold-induced peptide signalling secures pollen resilience and crop yield的研究论文，首次揭示作物花粉发育的时空特异低温韧性 (Cold resilience) 机制，发现了首个花粉发育低温感知的小肽信号RGF，阐明了作物花期“按需抗冷”的小肽-受体-离子通道信号轴与低温韧性调控机制，证实了该分子途径在冷害减损和设计育种中的重要应用潜力。Nature同期以Research Briefing的形式对该工作进行了题为'Hidden hero’ peptides guard crops against sudden cold的报道。

气候变化引发的环流异常造成剧烈的温度波动与不可预测的冷害，尤其是农作物进入花期后，突如其来的“倒春寒”、“早霜冻”、“寒露风”等频繁发生，短短几天的花期低温便可造成不可逆的花粉败育，导致全球主粮作物遭遇大面积受精障碍与结实率下降，平均减产幅度在20%至60%之间，每年给全球农业生产造成的直接经济损失高达数百亿元。仅2024年，我国农作物受灾面积就高达1400万亩，直接造成的经济损失达256.2亿元，威胁我国粮食安全和农业可持续发展。作物花期冷害严重年份可直接导致区域性粮食减产达50亿至100亿公斤。全球气候变化导致春季回温提前，果树物候期普遍提前，但冷空气依然频繁南下，形成“先暖后冷”的剧烈温差，花期和幼果期正好暴露在冷空气的“攻击窗口”内，导致不同果树平均减产达20%–50%。

花期冷害难以防范，灌水延迟花期、熏烟、覆盖等被动传统防御措施成本高、收效低。灾后补救 (剪枝、追肥等) 更是“亡羊补牢”。从本质上讲，缺乏抗冻的主动基因手段——如同缺乏“御寒外衣”，仅靠临时的“烤火”难以从根本上解决问题。长期以来，人们更多关注作物在苗期和营养生长期对低温的适应能力。相比之下，作物花期低温适应机制的基础研究明显薄弱，关键可用的抗冷基因资源极为匮乏，使得花期抗冷育种长期缺乏基础理论指导。当前使用的耐冷种质筛选和杂交导入的育种方法不仅育种周期长，而且导入的常是持续抗冷基因，在常温下也会持续激活耐冷机制，空耗大量能量，造成“高产耐冷不可兼得”的困局。破解作物花粉发育低温感知和信号转导机制，发掘利用花期低温韧性基因，推动作物改良从“持续抗性的高产耐逆不易兼得”到“气候韧性的顺境高产逆境稳产”转变是破局的关键。

为破解上述难题，许操研究员带领的智能育种攻关团队转换思路，攻克了作物发育期花粉取样分析难、真实农业低温条件重现难、韧性基因鉴定难等三大难题。综合运用传感技术、多维组学、基因编辑和人工智能等技术手段，经过前后长达8年的持续攻关，终于找到了在基因组中长期被注释为“功能未知”的小肽基因RGF，它编码一个仅含有13个氨基酸残基的短肽，平时几乎不表达，在正常温度下对作物的生长发育没有可见影响，其功能缺失突变体植株生长正常，产量与野生型无显著差异，成功避免了常温下的能量空耗。然而一旦遭遇低温胁迫，它在花粉发育的四分体时期便在花药绒毡层细胞中被显著激活。这种“平时深藏不露，冷害挺身而出”的独特表达模式，正是此韧性基因被长期忽视的重要原因。进一步研究揭示，低温诱导表达的RGF小肽通过分泌到细胞外，被花药细胞膜表面受体激酶SlRGFR6和共受体SlSERK识别，形成受体复合体，该复合体随即磷酸化激活环核苷酸门控离子通道SlCNGC16/18，引发细胞内钙离子浓度快速升高，进而精确调控花药绒毡层的程序性死亡进程，确保了绒毡层在恰当的时间点按时降解，为花粉的正常发育提供所需的营养和能量，有效避免了因绒毡层降解延迟所导致的花粉败育。这一小肽-受体-离子通道介导的全新分子途径形成的RGF低温信号轴，阐释了植物在面临不可预测的短期冷害时如何通过“按需抗逆”实现精准高效的局部防御。

作物改良和多年多点多品种大田测产表明，激活这些RGF小肽的表达，在番茄中可挽回33.9%-52.2%的冷害引起的产量损失。RGF低温信号轴在双子叶和单子叶植物中保守，上调水稻RGF基因的表达可显著增强花粉低温韧性，在当前商业化主栽高产水稻品种中仍可挽回18%左右的冷害引起的产量损失，目前正在拓展应用于大豆、玉米等不同作物冷害减损的遗传改良。Nature审稿人对该研究给予高度评价，称其为一项杰出成就和令人振奋的重要突破(....representing an outstanding achievement and a significant breakthrough in the field of cold tolerance research....)，赞赏该研究贯通了从实验室基础机制解析到田间作物改良应用，为应对气候变化下的粮食安全和气候韧性农业提供科技方案，同时也为拓展作物种植区域，开发新粮仓提供新的理论依据和育种新路径。

种子创新全国重点实验室许操研究员为该论文通讯作者，中国农业大学宋文教授为该论文共同通讯作者。许操研究组的博士后陈树栋为该论文第一作者，邹玉盼、崔桓硕、董庆丰、杨丹丹、黄小珍等对该研究做出了重要贡献。遗传发育所植物激素创新平台的褚金芳研究员和程淑静、辛培勇等在小肽鉴定分析中做出重要贡献，遗传发育所仪器平台田彦宝、牟金叶等对该研究提供了重要支持。该研究得到国家自然基金委基础科学中心项目和杰出青年基金项目资金以及中国农业大学启动资金支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10603-7