東北地理所在氣候變化下C3作物產量及品質響應機制研究中取得進展
在全球氣候變化背景下，大氣CO2濃度升高和溫度上升對農業生態系統及作物安全構成了深遠影響。CO2的“施肥效應”被認為是提升C3作物（如水稻、大豆）產量的機遇，然而，不同作物品種間巨大的響應差異及其內在調控機制尚不明確，同時，產量提升是否會以犧牲作物營養品質為代價，是當前亟待回答的關鍵科學問題。這限制了我們對作物-氣候互作的全面認知，也為培育未來氣候適應性作物品種帶來了挑戰。
面向以上科學問題，東北地理所研究人員通過開頂式氣室（OTC）控制實驗，在接近自然環境條件下，以光合能力、碳水化合物（糖）代謝變化為切入點，系統研究了水稻和大豆兩大主要C3作物對大氣CO2濃度升高及溫度變化的光合響應機制。
研究首先揭示了作物產量對氣候變化響應的復雜性。不同大豆品種對高大氣CO2濃度的產量響應存在巨大差異，其核心機制并非簡單的光合速率差異，也取決于植株對非結構性碳水化合物的代謝與再分配效率。高產響應型品種能將光合優勢高效轉化為實際產量，而低響應品種則因“源-庫”關系失衡，限制了產量潛力（圖1）。同時，研究發現在高緯度東北冷涼地區，適度增溫與CO2升高共同作用可使水稻平均增產23%，且增溫并不會削弱高CO2的施肥效應，這與在全球其他區域普遍擔憂的“增溫減產”趨勢形成了鮮明對比。然而，研究同樣揭示了產量提升背后不容忽視的另一面——作物營養品質的顯著下降（圖2）。大氣CO2濃度導致的碳水化合物在籽粒中的大量積累，對蛋白質和礦質元素產生了顯著的“稀釋效應”。在高CO2環境下，水稻籽粒的蛋白質含量平均下降了7.2%，同時多種礦質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的流失，但無法逆轉蛋白質濃度的下降趨勢，這可能加劇未來“隱性饑餓”的風險。綜上，未來氣候變化下，東北地區作為保障國家糧食安全“穩壓器”的戰略地位將得到進一步加強。但與此同時，如何協同提升產量與品質，將是該區域乃至全球農業應對氣候變化必須解決的重大挑戰。
圖1 氣候變化對作物光合作用及碳水化合物代謝影響轉錄調控機制解析
圖2 大氣CO2濃度和溫度升高對水稻產量及品質的潛在影響
相關成果發表在植物生理生化領域經典期刊《Plant Physiology and Biochemistry》上，東北地理所農田分子生態學科組已畢業博士研究生張春雨、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鍵支持。研究得到了國家自然科學基金（32172123，42177435）和中國科學院戰略性先導科技專項（XDA28100200）等項目資助。
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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