東北地理所在氣候變化下C3作物產(chǎn)量及品質(zhì)響應(yīng)機(jī)制研究中取得進(jìn)展
在全球氣候變化背景下，大氣CO2濃度升高和溫度上升對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及作物安全構(gòu)成了深遠(yuǎn)影響。CO2的“施肥效應(yīng)”被認(rèn)為是提升C3作物（如水稻、大豆）產(chǎn)量的機(jī)遇，然而，不同作物品種間巨大的響應(yīng)差異及其內(nèi)在調(diào)控機(jī)制尚不明確，同時(shí)，產(chǎn)量提升是否會(huì)以犧牲作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)為代價(jià)，是當(dāng)前亟待回答的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這限制了我們對(duì)作物-氣候互作的全面認(rèn)知，也為培育未來(lái)氣候適應(yīng)性作物品種帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
面向以上科學(xué)問(wèn)題，東北地理所研究人員通過(guò)開(kāi)頂式氣室（OTC）控制實(shí)驗(yàn)，在接近自然環(huán)境條件下，以光合能力、碳水化合物（糖）代謝變化為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究了水稻和大豆兩大主要C3作物對(duì)大氣CO2濃度升高及溫度變化的光合響應(yīng)機(jī)制。
研究首先揭示了作物產(chǎn)量對(duì)氣候變化響應(yīng)的復(fù)雜性。不同大豆品種對(duì)高大氣CO2濃度的產(chǎn)量響應(yīng)存在巨大差異，其核心機(jī)制并非簡(jiǎn)單的光合速率差異，也取決于植株對(duì)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的代謝與再分配效率。高產(chǎn)響應(yīng)型品種能將光合優(yōu)勢(shì)高效轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)量，而低響應(yīng)品種則因“源-庫(kù)”關(guān)系失衡，限制了產(chǎn)量潛力（圖1）。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在高緯度東北冷涼地區(qū)，適度增溫與CO2升高共同作用可使水稻平均增產(chǎn)23%，且增溫并不會(huì)削弱高CO2的施肥效應(yīng)，這與在全球其他區(qū)域普遍擔(dān)憂的“增溫減產(chǎn)”趨勢(shì)形成了鮮明對(duì)比。然而，研究同樣揭示了產(chǎn)量提升背后不容忽視的另一面——作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的顯著下降（圖2）。大氣CO2濃度導(dǎo)致的碳水化合物在籽粒中的大量積累，對(duì)蛋白質(zhì)和礦質(zhì)元素產(chǎn)生了顯著的“稀釋效應(yīng)”。在高CO2環(huán)境下，水稻籽粒的蛋白質(zhì)含量平均下降了7.2%，同時(shí)多種礦質(zhì)元素含量也同步降低。值得注意的是，雖然適度增溫能夠部分緩解某些礦物質(zhì)的流失，但無(wú)法逆轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)濃度的下降趨勢(shì)，這可能加劇未來(lái)“隱性饑餓”的風(fēng)險(xiǎn)。綜上，未來(lái)氣候變化下，東北地區(qū)作為保障國(guó)家糧食安全“穩(wěn)壓器”的戰(zhàn)略地位將得到進(jìn)一步加強(qiáng)。但與此同時(shí)，如何協(xié)同提升產(chǎn)量與品質(zhì)，將是該區(qū)域乃至全球農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化必須解決的重大挑戰(zhàn)。
圖1 氣候變化對(duì)作物光合作用及碳水化合物代謝影響轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制解析
圖2 大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的潛在影響
相關(guān)成果發(fā)表在植物生理生化領(lǐng)域經(jīng)典期刊《Plant Physiology and Biochemistry》上，東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組已畢業(yè)博士研究生張春雨、徐影為論文第一作者，李彥生副研究員為通訊作者。卜慶云研究員和李秀峰副研究員為水稻品種的選取與材料提供給予了關(guān)鍵支持。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（32172123，42177435）和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA28100200）等項(xiàng)目資助。
論文信息：
Zhang Chunyu,Hu Yanfeng,Yu Zhenhua,Zhang Jinyuan,Hu Xiaojing,Liu Junjie,Wang Guanghua,Liu Xiaobing,Jin Jian,Li Yansheng*. Co-elevated atmospheric CO2 and temperature increase rice yield but degrade nutrient quality in a cold temperature region. Plant Physiology and Biochemistry,2025,229,110504.
Xu Ying,Yu Zhenhua,Liu Changkai,Hu Yanfeng,Zhang Jinyuan,Liu Junjie,Chen Xueli,Liu Judong,Wang Guanghua,Liu Xiaobing,Jin Jian,Li Yansheng*. Variability in soybean yield responses to elevated atmospheric CO2: insights from non-structural carbohydrate remobilisation during seed filling. Plant Physiology and Biochemistry,2024,213: 108802.
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0981942825010320
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0981942824004704
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