破解作物“午睡”百年谜题，让水稻增产一到四成
李家洋在稻田。受访者供图
人累了会午休。你可能不知道，田里的庄稼中午也会“摸鱼”！
在正午高光、高温双重胁迫下，农作物光合作用会被大幅抑制，光能利用效率大幅下降，造成作物平均减产30%左右。这种作物“午睡”现象长期制约着光能利用效率与产量提升，自1910年被发现至今，困扰科学界长达百年。
现在，中国科学家在破解这一问题的核心分子机制上迈出关键一步。中国科学院院士李家洋牵头联合中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）、崖州湾国家实验室、中国科学院生物物理研究所（以下简称生物物理所）等多家单位的科研人员，通过10年跨学科联合攻关，发现植物体内一种名为MBS1的超小蛋白可响应强光，形成凝聚体小液滴，通过类似“防护服”的保护作用过滤强光实现“防晒”。多年多地田间试验证实，该机制能够让水稻等农作物产量提升10%~40%，这为应对全球气候变暖、实现粮食增产提供了新的基础理论与技术路径。6月18日，相关研究成果在线发表于《细胞》。
面向百年谜题
在农业科学界，提到李家洋，很多人会想到“分子设计育种”。21世纪初，他提出“像设计工业产品一样”把高产、抗病、优质的基因模块“组装”起来，“设计”出理想种子。
不过，很多人不知道的是，过去10年，李家洋还开展了另外一项基础研究——寻找作物“午睡”问题的解决路径。
这是全球植物学、农学的百年经典科学问题。光合作用为植物提供能量，但在强光、高温、干旱等多重逆境下，过量的光也会诱导植物产生活性氧。它就像植物体内的“腐蚀剂”，会引发氧化胁迫，损伤光合相关蛋白与结构，逼得庄稼只能暂时停工、自我保护，使得光合作用速率大幅降低，严重时会造成光合工厂“叶绿体”的解体，光合作用极度受损。
“被迫停工”直接导致农作物平均减产30%，这是多年来粮食产量难以突破的关键瓶颈。
早在20世纪八九十年代，中国科学院院士匡廷云、李振声、沈允钢等专家学者就曾开展小麦等作物“午睡”现象的生理研究。然而，受限于当时的技术手段，研究人员始终未能破解其深层分子机制，无法从根本上解决这一生产难题。
近20余年来，全球许多科学家都在尝试解决这一问题，主要的研究思路是修复损伤或增强抗性，但也未能摸清其底层机制。
李家洋在博士期间的研究方向就是光生物学，对植物光合作用研究一直很感兴趣。2016年，青年科学家邵宁加入李家洋在遗传发育所的实验室后，让光生物学研究这个方向得以“启航”。
邵宁2001年赴德国弗莱堡大学攻读分子遗传学，2006年获得博士学位。博士毕业后，她在德国马普学会分子植物生理学研究所继续从事研究，聚焦藻类和植物的活性氧信号。她从藻类中发掘了MBS1蛋白，鉴定其为单线态氧的信号介导因子。单线态氧是植物叶绿体光合系统形成的一种活性极强、存续时间极短、破坏性极高的活性氧物质。然而，MBS1如何感知单线态氧并启动细胞应答的分子机制并不明确。
李家洋敏锐地意识到，MBS1可能是揭秘作物“午睡”现象的一个突破口。“我们就研究作物，看这个蛋白对光抑制的影响到底有多大。”他如此决定。
后来，他们才发现，由于涉及光物理、光化学、生物化学、遗传学、作物栽培等多学科领域，这项研究从解析MBS1的结构开始，就像一个“无底洞”。
十年闯关
仅是解析MBS1的结构，研究团队就花了整整3年时间。事实上，这是一个超小蛋白——仅由110个氨基酸组成、分子量约13kD，中间有一个锌指结构，两侧为无序蛋白。由于两侧无序区域无法常规结晶，研究团队联合生物物理所，依托核磁共振技术在溶液中解析出蛋白结构，攻克了基础的结构解析难题。
随后，研究团队发现，恰恰是这些无序区域对蛋白形成强光“防御”机制至关重要。当正午强光导致叶绿体积累对光合作用具有负面效应的单线态氧时，MBS1蛋白会立即响应，蛋白构象发生改变，在细胞内形成液-液相分离的微米级胶状液滴，像“防护服”或“护盾” 一样覆盖在叶绿体表面，通过光散射调节光线的分布与透射，使得叶绿体内光合蛋白与结构免受过量单线态氧的攻击。
通过模拟光路和试验观测，研究团队发现MBS1蛋白具有动态性：在强光诱导下聚集，减弱光抑制效应；当光照恢复正常后，这些聚集结构又会逐渐消失。
“自然界的设计非常精妙——强光来了，‘盾牌’形成；光强度减弱，‘盾牌’消散，不影响作物正常光合进程。这是一个动态的、智能的阳光过滤系统。”李家洋向《中国科学报》解释道。这一动态过程揭示了叶绿体如何通过相分离机制精细调控光保护，为理解光合作用的底层逻辑提供了新视角。
走到这一步，他们已经花了6年多光阴。不过，仅了解基础机理还不够，研究团队将MBS1基因转入水稻中实现超表达。此后连续4年，他们在海南、北京、吉林、黑龙江等地开展大田试验。测产结果显示，与底盘对照品种稻花香相比，增强表达MBS1的材料在光热胁迫较轻的吉林等地，增产约10%~15%；在北京等中等光热地区，增产达20%~30%；而在强光高热的海南，增产幅度高达40%。
“在不同光危害强度下，都呈现出增产效果。这说明这个蛋白可以精准化解高光抑制光合作用这一核心矛盾。”李家洋说。研究还意外发现，增强表达MBS1的水稻材料可提前10天开花成熟，推测其原因可能是光能利用效率提升促进了代谢。
研究人员依据初步观察推测，MBS1蛋白的“防晒”机制在大豆、油菜、玉米等作物中可能同样保守，具备广谱应用潜力。“全球气候变化导致极端高温和强光日益频繁，我们的技术正好为作物提供了一种内在的、可遗传的光保护能力。”李家洋强调，“这不是减少损失，而是通过维持午间光合作用来增加净产量。”
“每一步的艰难跋涉都值得”
论文初稿投至《细胞》后，该刊编辑部邀请多个领域的国际专家进行评审。他们提出了一系列尖锐的问题：怎么证明是单线态氧在破坏光合作用？相变产生的凝胶状液滴会不会不散射，反而聚焦阳光，让高温损伤更严重？相变在叶绿体里真的有用？
研究团队做了大量补充实验，回答了这些问题。他们联合遗传发育所研究员降雨强开展微米级叶绿体光模拟实验，证明液滴更大的作用是光散射，而非“棱镜聚焦效应”；利用荧光标记、活体成像技术，拍到高光下MBS1蛋白确实包被在叶绿体表面；以多年多地田间试验的海量一手数据，反复排除过氧化氢等因素，锁定单线态氧的核心作用。
最终，该研究获得了审稿人的高度评价——该成果十分重要、新颖，填补了植物光保护与相分离交叉领域的认知空白，代表了逆境生物学和相分离研究领域的概念性进展，且在作物性状改良方面展现出巨大潜力。
回顾研究历程，在推进作物“午睡”机制研究中，李家洋和邵宁选择“10年零发表”，坚持“讲一个完整的故事”。没有成果，对于待在“副研究员”位置上的邵宁来说，就意味着无法晋升为研究员。不过，她坦言自己比较“超脱”，在研究方面始终保持着相对从容的节奏。
不过，邵宁也有不淡定的时候。2022年，她向液相分离领域的权威学者请教并得到肯定，那一刻她被生命现象的精密与美妙所吸引，确信她与团队正在追寻的是具有普适性的底层科学问题。
“基础研究不是拍拍脑袋就能做出来的。如果路线不对，20年也没用。”李家洋说，“现在回看，每一步的艰难跋涉都值得。我们不仅揭开了百年的作物‘午睡’之谜，也为未来的绿色革命提供了一个‘防护一体’的全新分子靶点。”
李家洋表示，研究团队将继续探寻与作物“午睡”相关的机制，完善多作物应用研究，加快科研成果在农业生产上应用，让这种源自自然的“智慧防护机制”真正赋能现代农业，筑牢国家粮食安全屏障。
相关论文信息：
https:doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.042