Nature | 中科院植物所种康院士团队发现水稻“耐寒氮高效”智能分子模块

一、Nature | 中科院植物所种康院士团队发现水稻“耐寒氮高效”智能分子模块

水稻作为典型的喜温作物，寒害常导致作物严重减产甚至绝收。在农业生产实践中，通常通过增施氮肥促进寒害后的分蘖恢复，以减轻产量损失。然而，这一措施不仅加剧面源污染，而且增加生产成本，其背后的分子调控机制长期未被阐明。植物如何协调耐寒性与氮素利用效率之间的关系，也一直是植物逆境生物学的重要科学问题。

2026年6月17日，中国科学院植物研究所饲草高效设计与利用全国重点实验室在Nature发表研究论文CHPO coordinates chilling recovery and nitrogen use in rice，报道了一个协同调控水稻耐寒韧性与氮利用效率的智能分子模块CHPO（CHILLING PHOENIX）。该模块能够根据作物所处阶段动态切换功能：在寒害期间促进耐寒响应，在恢复阶段增强氮素利用并促进分蘖再生，从而实现寒害韧性与氮高效利用的协同调控，为培育兼具耐寒、氮高效和稳产特性的水稻新品种提供了新的理论基础和分子设计策略。

全球气候变化引发区域性气候异常导致作物减产甚至绝收，而农业生产中过量施用氮肥造成的面源污染也不断加剧，如何同时提高作物抗逆性和氮肥利用效率，已成为世界农业面临的两大挑战。针对这两大问题，研究团队提出从种质资源的遗传底层逻辑出发，挖掘兼具“寒害韧性”和“氮高效感应能力”的分子模块，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提供新的遗传解决方案。

从农业生产现象中发现关键科学问题

寒害发生后，通过增施氮肥促进水稻分蘖再生，是农业生产中长期采用的重要管理措施。然而，寒害恢复能力是否具有独立的遗传调控机制，以及这一过程如何与氮素利用相互协调，一直缺乏系统认识。

研究团队观察分析了粳稻和籼稻的寒害恢复能力后发现，在寒害存活率相近的情况下，粳稻具有明显更强的寒害后分蘖再生能力（图1a），且存活率与分蘖再生能力之间相关性较弱（图1b），说明寒害恢复能力并非耐寒性的简单延伸，而是受独立的遗传机制调控。

基于这一发现，研究团队以粳稻品种空育131（KY131）和籼稻品种浙辐802（ZF802）构建的重组自交系群体为材料，将寒害后分蘖再生率创新性地作为评价寒害韧性的关键指标，定位到控制寒害韧性的主效位点qCR2 （quantitative Chilling Resilience 2）（图1c）。分析发现我们前期基于寒害存活率开展的全基因组关联分析定位的耐寒主效位点qCTS1-1与qCR2在染色体同一区域（图1d），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，建立了耐寒能力与稳产能力之间的遗传联系。最终，研究团队通过图位克隆鉴定出该主效基因，并命名为CHPO（chilling phoenix）。

图1 CHPO调控水稻耐寒性与寒害后分蘖再生

（a）粳稻（空育131，KY131）和籼稻（浙辐802，ZF802）在存活植株分蘖率上存在显著差异；（b）存活率与存活植株分蘖率呈弱相关；（c）低温后分蘖再生率位点（qCR）的QTL分析；（d）qCR2位点与qCTS1-1位点定位在同一区间。

一个编码区微小变异决定两种完全不同的生物学功能

进一步研究发现，粳稻等位基因CHPO^jap与籼稻等位基因CHPO^ind的主要差异仅在于编码区GCG重复序列的拷贝数不同。这一看似微小的天然变异，却导致两种蛋白获得了截然不同的低温响应方式和DNA识别偏好性。

CHPO^jap在低温诱导下能够在细胞核中快速积累，而CHPO^ind则持续定位于细胞核，对低温刺激缺乏动态响应（图2a）。进一步结合CUT&Tag-seq和EMSA分析发现，两种蛋白具有不同的DNA结合偏好：CHPO^jap更倾向识别AT-rich motif，而CHPO^ind更偏向结合CG-rich motif（图2b, c）。上述差异最终导致两种等位基因表现出完全相反的生物学功能：过表达CHPO^jap能够显著提高水稻耐寒性和寒害后分蘖再生能力，而过表达CHPO^ind则产生相反效果（图2d-g）。

群体遗传学分析进一步表明，CHPO^jap在温带粳稻驯化过程中受到显著选择，并可追溯至我国普通野生稻，揭示了野生种质资源在水稻环境适应进化中的重要贡献。

图2 CHPO编码区变异赋予粳稻和籼稻相反的耐寒性及寒害后分蘖再生表型

（a）在25°C和4°C条件下CHPO^jap和CHPO^ind的亚细胞定位。（b）CUT&Tag-seq鉴定出CHPO^jap和CHPO^ind分别偏好性结合的motif序列。（c） CHPO^jap和CHPO^ind结合不同的motif序列。（d, e）过表达CHPO^jap提高水稻的耐寒性和低温后分蘖再生率。（f, g）过表达CHPO^ind降低水稻的耐寒性和低温后分蘖再生率。

CHPO^jap实现耐寒与氮高效利用的动态协同调控

机制研究表明，CHPO^jap能够根据寒害发生与恢复过程动态切换调控程序：在寒害阶段，CHPO^jap被低温诱导进入细胞核内，调控耐寒相关基因（比如：DREBs、TPPs等），从而增强水稻的耐寒能力；而在常温恢复阶段，CHPO^jap则转而调控氮代谢和分蘖发育，直接激活氮吸收基因OsNRT2.4和抑制分蘖负调控基因OsTCP19，提高恢复期氮素利用效率，促进分蘖再生（图3）。

相比之下，CHPO^ind由于缺乏对低温的动态响应，同时具有不同的DNA结合偏好以及与CHPO^jap相反的调控模式（图3），难以完成寒害响应向恢复生长阶段的功能切换，因此表现出较弱的耐寒性和恢复能力。

图3 CHPO^jap调控水稻寒害后分蘖再生的分子机制

粳稻型CHPO^jap（左侧）在寒害胁迫过程中激活耐寒相关基因，增强水稻耐寒能力；在恢复阶段，直接激活氮吸收基因OsNRT2.4和抑制分蘖负调控基因OsTCP19，提高氮利用效率，促进分蘖再生，从而增强寒害韧性。相比之下，籼稻型CHPO^ind（右侧）由于丙氨酸（GCG）重复序列变异导致寒害响应和转录调控模式改变，导致耐寒能力和寒害韧性下降。

综上所述，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”，在不同生理阶段实现耐寒与氮高效利用之间的协同平衡。

为未来气候适应型作物育种提供新策略

传统逆境研究通常以存活率、生长抑制等指标作为评价标准，而本研究首次将“寒害后分蘖再生率”确立为评价寒害韧性的关键指标，更加贴近农业生产实际，建立起了耐寒能力与最终产量形成之间更直接的联系，为逆境研究提供了新的研究范式。

进一步的田间试验表明，在不同氮肥恢复条件下，过表达CHPO^jap的植株均表现出高于野生型的单株产量和氮利用效率，而chpo突变体则表现相反，说明CHPO^jap在提高寒害后稳产能力和氮肥利用效率方面具有显著育种潜力（图4）。

图4 CHPO^jap提高低温后水稻的产量

（a）CHPO^jap突变体田间单株产量和氮利用效率统计。（b）CHPO^jap过表达田间单株产量和氮利用效率统计。

综上，该研究从农业生产中的重要农艺措施出发，发现并解析了协同调控水稻耐寒韧性与氮利用效率的智能分子模块CHPO，揭示了植物协调耐寒与氮高效利用的分子基础，为深入理解植物逆境适应机制提供了新理论，同时也为培育适应未来气候变化、兼具高产稳产和资源高效利用特性的作物新品种提供了重要的分子模块和育种策略。Nature审稿人对该研究给予高度评价，认为其“在寒害后恢复（post-chilling recovery）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”（This study represents a solid and significant advance in the regulation of post-chilling recovery and nitrogen utilization）。

图注：具有智能模块的“分子盾牌”与高效氮利用功能的“耐寒水稻”。

在寒害中，一株水稻被形似凤凰的DNA护盾（凤凰涅槃）所守护，地下根系吸收发光的氮素颗粒，为寒害后的分蘖再生提供养分。针对区域性气候异常和氮肥污染两大挑战，研究团队揭示了整合寒害韧性与氮利用效率（NUE）的分子调控网络，并鉴定了智能分子模块CHPO（CHILLING PHOENIX）。封面中的DNA护盾象征粳稻型CHPO^jap，其在寒害阶段激活耐寒相关基因，在恢复阶段直接调控OsTCP19和OsNRT2.4，协同促进耐寒与氮素高效利用，为培育兼具气候适应性和高氮利用效率的作物提供了新的分子设计策略。

中国科学院植物研究所种康院士、罗伟副研究员和中国科学院大学王红教授为该论文共同通讯作者。中国科学院植物研究所和中国科学院大学联合培养已毕业博士生曹杰为本论文第一作者。崖州湾国家实验室钱前院士和中国科学院植物研究所葛颂研究员提供了关键指导。该研究得到了国家自然科学基金和“科技创新2030”生物育种重大项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10682-6