给水稻装“空调”，守护我们的“米饭自由”——华中农业大学李一博团队破解水稻高温减产世界性难题纪实
本报记者 陈景秋
长江流域是我国第一大水稻主产区，种植面积和年产量均占全国约2/3，但近10年来极端高温天气频发，每到盛夏稻田温度动辄突破40℃，稻米外观垩白增多、食味下降，产量暴跌，给水稻稳产与优质带来严峻挑战。
面对高温胁迫下水稻产量与品质难以协同提升的难题，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、生命科学技术学院、湖北洪山实验室水稻团队李一博教授课题组历经10余年艰苦攻关，从全球上万份种质中发现了水稻对抗高温的关键基因——QT12，把水稻领域基础研究的自主知识产权掌握在自己手中。该研究成果发表在国际顶级期刊《细胞》上，同时入选《科学》杂志2025年度十大科学突破名单。
成果发表当天，团队即与多家种业龙头企业签订专利转化协议——研究用了10余年，转化只用了一天。这种创新极“慢”、转化极“快”的“双重时间”，为我国农业科技成果从实验室到田间如何打通“最后一公里”提供了一个鲜活的样本。
“死磕”田间高温，不做“温室里的科研”
什么是水稻对抗高温的关键基因 QT12？李一博打了一个比方说，它是水稻耐高温的关键“守护神”，如同水稻内置了天然“空调系统”，能够在极端高温条件下保持稻米的品质与产量。
长期以来，水稻“耐高温表型难鉴定、耐高温基因难应用”是困扰学界的共性难题。“表型难鉴定”体现在三个层面：遗传率低、环境波动大、考察过程烦琐。稻米品质和结实率等耐高温性状属典型数量性状，受环境因素影响极大。更关键的是“基因难应用”——温室环境温度、湿度、光照条件可控，但大田完全不同，昼夜温差、湿度波动、风速变化、土壤环境、极端天气等多种因素共同作用。一个基因在温室里表现耐热，而到了长江中下游稻区七八月份40℃的田间，效果往往大打折扣。
面对水稻领域基础研究的难题，如何答题？从2012年布局，到2016年实验室从零起步，团队利用4年多时间，在全球约上万份水稻种质资源中，只筛选出8份在10年自然高温下稳定低垩白的种质。
更考验人的是时间成本。万里挑一的背后是枯燥而煎熬的坚持——每年夏季要在高温与常温不同环境下重复种植，考察所有材料的品质和产量。李一博说：“水稻研究周期长，一年只有一季自然高温处理的机会，错过了就要再等一年。”面对研发困境，团队的选择是：直接“死磕”田间自然高温。
团队核心成员李威仍然记得很清楚，在2016年加入团队时，实验室的课题基本是从零起步，没有现成的平台和数据，遗传群体也是从零起步开始构建，每一步实验体系都得自己摸索。
功夫不负有心人，团队利用自主研发的 RapMap方法实现了快速、高通量的基因克隆。该方法的核心创新在于提出了“共分离的黄金标准”，实现了 QTL（数量性状位点）定位、验证和类近等基因系筛选的“三位一体”。尽管如此，QT12的定位过程仍然长达5年。
“说实话，中间有过很多次动摇，经费的压力、学生的焦虑、外界的质疑，都摆在面前。但我始终相信，这项研究真正回应了产业中的大问题，不是靠‘凑文章’能解决的。我常跟自己说，再坚持一下。”李一博坦言，支撑团队的是实验室的信条——“小种子，大梦想”。
十年磨一剑，解决产业真问题
找到 QT12只是开始，更大的挑战是揭开它背后的分子机制。
在李威看来，这个机制的揭示是一步一步“磨”出来的。李威鉴定到QT12后，为了寻找耐热差异原因，从不同单位老师那里借遗传材料进行检测，才筛选到转录因子 NF-YC10。发现NF-YC10不能直接结合到QT12后，他一度陷入焦虑，通过大量查阅文献了解 NF-Y复合体特征后，又相继验证了 NF-YA8和 NF-YB9。
新发现那一刻，团队的心情可以用如释重负来形容，所有人都长舒了一口气。李威说：“9年埋头田间与实验室工作，一篇论文没发过，所有的焦虑和自我怀疑，在这一刻都值了。”
“这一步并不顺利，做高温研究的工作量比普通性状研究至少多两倍。尤其是2023年武汉和2024年长江流域三个城市的高温处理实验，数据至关重要，但李威一个人分身乏术，多亏了师妹和师弟的帮助才完成多个城市的材料处理与收集。”李一博表示。
该研究揭示了一个精妙的分子机制：QT12启动子区域的 G/A功能性变异作为“初级开关”，高温则作为“次级开关”的推动器。QT12与NF-Y蛋白复合体（NF-YA8、NF-YB9、NF-YC10）形成初级-次级“双生锁”基因开关系统。当“双生锁”同时打开时，QT12被激活，调节储藏蛋白与淀粉合成，使水稻产生高温敏感性；反之，“双生锁”锁住时，水稻维持储藏物质稳态，实现高温抗性。
团队还发现了一个“遇弱则强”的反直觉现象——QT12在低表达时反而表现出更强的耐热性。QT12高表达会打破内质网中储藏蛋白与淀粉的合成平衡，导致垩白形成；低表达反而维持了内质网稳态。
李一博表示，QT12核心专利申请依托快速预审通道大幅缩短审查周期，同时围绕核心专利布局了7项国内外专利，形成了完整的专利“保护网”。
“我们做科研，就是要解决农业生产中遇到的实际问题。只要研究有价值，就值得坚持，正是这种‘从产业来到产业去’的信念，支撑我们在这条路上走了10余年。”李一博表示。
边研发，边应用，达成8000万元专利许可
2023年和2024年，团队在长江流域极端高温下开展大规模田间试验。将 QT12抗性基因型导入到我国广泛应用于杂交稻育种的最大恢复系品种“华占”后，在武汉、杭州和长沙的小区产量分别增加了49.1%、77.9%和31.2%，稻米外观和食味品质也显著改善。中国科学院院士林鸿宣高度评价：“该研究从根本上解决了高温胁迫下水稻产量与品质难以协同提升的世界性难题。”
得益于团队秉持的“边研究、边开发、边应用”理念，成果在《细胞》发表的当天，团队便与多家龙头企业签订了专利转化开发意向协议。这种模式有效避免了基础研究与市场需求脱节的问题。
李一博介绍，团队在成果尚未正式见刊之前，就着手与下游企业探讨合作路径，不仅介绍最新研究进展，还向企业说明了一些可能还要2年至5年才出成果的研究计划。目前，该团队已与隆平高科、安徽荃银高科种业股份有限公司（下称荃银高科）、金色农华、丰乐种业、兴隆种业、中垦种业、湖北农发集团、中垦锦绣华农等8家国内龙头企业及省内外农科院达成8000万元的专利许可协议。
“相较于实验室环境下筛选出来的耐高温基因，QT12基因是在完全自然环境下筛选出来的，稳产提质效果更为可靠，这正为产业界所看重。”荃银高科副总经理张从合说。
更重要的是，QT12的应用前景不限于水稻。研究表明，QT12蛋白在包括小麦在内的多种植物中高度保守。林鸿宣院士指出，QT12的机制可拓展至其他禾本科作物，具有广泛的应用前景。
从2012年布局到2025年成果落地，整整13年。这份坚持换来的，不仅是一篇顶刊论文、一项入选《科学》年度突破的成果，更是长江中下游百万亩稻田里实实在在的增产——在40℃的盛夏，一株水稻依然能结出饱满晶莹的米粒。
（编辑：刘珊 实习编辑：蔡友良）