让植物在恶劣环境中“站稳脚跟”
团队成员合影，从左至右依次为郭岩、巩志忠、杨淑华、王毅。受访者供图
■本报记者 甘晓
6月，中原麦收正值关键期，多地遭遇持续阴雨天气。农田渍涝与小麦倒伏风险骤增，给夏粮抢收带来困难。对此，长期从事植物抗逆分子生物学研究的中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室教授郭岩和同事们深感责任重大，“极端天气事件频发，已是我国农业生产需要直面的考验”。
当下，粮食作物不仅要应对干旱、盐碱、极端温差等非生物逆境，还要在有限的水土资源下维持高产。如何让植物在恶劣环境中“站稳脚跟”是关乎国计民生的重要科学命题。
2020年起，在国家自然科学基金创新研究群体项目（以下简称创新研究群体项目）的支持下，由郭岩担任学术带头人，实验室教授巩志忠、杨淑华、王毅等三位学术骨干组成的科研团队围绕植物感知和响应盐碱、干旱、低温等非生物胁迫的分子机制，展开系统性研究。
近日，接受《中国科学报》采访时，郭岩表示：“我们试图揭示植物抗逆过程中从信号感知、转导到调控应答的完整调控网络，破解困扰领域多年的核心科学问题，为培育抗逆高效的作物新品种奠定理论基础。”
直面“真问题”
风雨过后，田间成片倒伏的小麦直观地暴露出作物抗逆能力的短板。与动物不同，植物固着生长，无法逃离恶劣环境。遭遇盐碱、低温或干旱时，它们只能在原地“硬扛”，依靠体内精密的分子机制抵御逆境。
来自中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室的学者们对危机的预见远比今年麦收季节的降雨来得更早。早在2019年，他们已经意识到，在全球气候变化加剧的宏观背景下，植物面临的生存逆境将急剧增加，耕地土壤问题也不容乐观。如何在15亿亩盐碱地中唤醒1.5亿亩沉睡的后备资源，又如何消除耕地酸化板结、水体污染及重金属富集等日益凸显的生态顽疾，成为我国农业生产中躲不开的必答题。
在学者们看来，攻克这些问题关乎千家万户的“米袋子”和“菜篮子”，有助于守护老百姓舌尖上的健康与安全。
在基础科学层面，植物如何抵御逆境一直是科学界关注的焦点。逆境胁迫是如何被植物感知的，感受器是什么？植物通过怎样的分子机制在逆境胁迫下主动调控生长发育？这些核心问题，至今仍是悬而未决的重大难题。
聚焦国家重大需求和前沿科学问题，科研团队决定把真问题从田间带回实验室、用基础研究回应农业需求的初心。带着这样的信念，郭岩团队申请并获批了创新研究群体项目。
“我们的目标是探寻植物应对非生物胁迫的共性规律，如不同胁迫之间是否存在共性的响应基因、能否从中总结出一套普适性的抗逆规律。”郭岩介绍。
打开植物抗逆的“黑箱”，需要一支多兵种协同的“集团军”。在这支团队中，成员各具研究特色和专业优势，可以互相取长补短。郭岩专攻植物抗盐碱胁迫，巩志忠聚焦植物抗旱的分子机理，杨淑华深耕植物温度感知与调控机制，王毅则致力于植物养分高效利用的解析。
在创新研究群体项目支持下，大家各展所长，将原本分散的研究拼成了一张完整的拼图，共同攻克植物抗逆高效这一复杂的系统性难题。
解码抗逆信号
围绕“植物响应非生物逆境胁迫的分子调控机理”这一核心命题，科研团队重点开展了三方面工作：一是植物非生物逆境信号感受机制，二是逆境信号网络及交叉互作机制，三是植物抗逆与生长发育的平衡调节机制。
通俗地讲，研究就是要弄清植物依靠何种分子感知环境危险，体内的光、温、水、肥等信号如何与逆境信号协同响应，以及如何在增强抗逆性的同时保障正常生长，实现抗逆与高产的统一。
围绕上述目标，团队在基础理论层面取得多项前沿进展。
在信号感知方面，团队聚焦关键的钙信号通道，系统解析了逆境诱导的钙信号从感受器到下游解码的全过程。研究证实，钙转运蛋白ANN1和钙通道CNGC20是植物感知低温的关键分子。它们通过介导细胞外钙离子内流，启动下游激酶级联反应，激活冷响应基因表达，帮助植物在遭遇低温时迅速启动防御机制。
“这项研究为理解植物抗逆的信号转导提供了关键证据。”郭岩表示。
在信号互作层面，团队揭示了光信号、激素通路与逆境信号之间的交叉调控网络。杨淑华、郭岩和巩志忠团队合作，阐明了红光受体phyB和蓝光受体CRY在植物响应低温和盐碱胁迫中的功能，解析了光信号如何作为环境输入因子，调整植物逆境应答的强度与节律。
研究发现，独脚金内酯、油菜素甾醇等激素在胁迫下通过促进根系生长或增强细胞稳定性，协助植物适应环境。此外，郭岩和王毅团队解析了氮、磷、钾养分协同吸收的调控机制，阐明了NIGT1.2等因子在维持养分平衡中的作用。
在生长与抗逆的平衡机制方面，团队协同攻关发现，盐碱胁迫下植物通过新的分子机制调整根系生长方向与构型，以适配高盐碱土壤环境。同时，SOS2-PLT信号模块能够维持根尖分生组织干细胞的活性，确保植物在逆境解除后迅速恢复生长，回答了“植物如何在恶劣环境中既扛过胁迫又不停止生长”这一关键问题。
“这些基础理论的突破，为后续作物改良提供了明确的分子靶点。”郭岩说。
基于上述基础理论的突破，团队进一步将研究从模式植物推向主要作物，为农业抗逆稳产提供支撑。团队搭建了从分子设计到田间验证的全链条研究体系，建成玉米抗逆研究平台。目前团队已收集5000余份代表性玉米及野生种种质资源，梳理其基因组结构特征与遗传变异规律，为挖掘优异抗逆基因提供核心材料。
巩志忠团队成功研发出植物免疫信号蛋白——维大力和禾敏素，并将该成果转让给两家国内公司。经多年田间试验验证，这两种蛋白可显著提高植物的抗逆性，进而显著提升小麦、玉米、水稻、大豆等农作物的产量，改善瓜果蔬菜的品质。目前，该成果已实现规模化推广应用，将在国家新一轮千亿斤粮食增产计划中发挥重要作用。
依托玉米抗逆研究平台，杨淑华与巩志忠团队解开了玉米如何逐步适应高纬度低温环境的谜题。研究发现，COOL1基因的优异等位变异是驱动玉米适应高纬度低温气候的关键遗传因子。该研究2025年发表于《细胞》，为玉米抗寒分子育种提供了关键靶点，有力支撑了高纬度产区玉米产量的遗传改良。此外，围绕玉米耐非生物胁迫与养分高效利用，团队还系统完成了关键基因的挖掘与机制解析。“我们聚焦低温、干旱、盐碱三类频发胁迫及养分高效利用目标，成功克隆了一批具备应用潜力的关键基因，为玉米抗逆与养分高效分子育种奠定了基础。”郭岩表示。
在科学家们看来，玉米抗逆研究平台突破了我国玉米抗逆基因挖掘效率低、验证周期长的瓶颈，显著提升了整体研究水平与国际竞争力。
甘坐“冷板凳”
回顾5年来的研究历程，郭岩指出，在创新研究群体项目支持下开展的工作最鲜明的特色是从定性向定量的跨越。
此前，科学界对基因抗逆性的认知多停留在相关性的定性描述层面。如今，团队致力于精确解析关键基因在不同组织、不同亚细胞结构中的具体贡献率及其与环境互作的数量关系。
郭岩表示，这种转变意味着团队不再满足于知道植物能不能抗逆，还要研究清楚它为什么抗逆，以及为此付出了多少生长代价。
在团队成员看来，这项研究好比一场坐“冷板凳”的寂寞修行。
郭岩坦言，基础研究中发现的许多基因，虽然对探索生命科学的边界至关重要，却很难直接转化为生产力。例如，一些发挥关键作用的基因一旦突变，植物便无法在自然界中生存，因此很难被直接应用于育种。
然而，这些看似“无用”的工作却发挥着类似“磨刀”的作用。这些工作虽然没有直接产出抗逆品种，却是未来突破的基础。
为了把“刀”磨得更有价值，团队探索出了以任务牵引基础研究的组织方式。对此，郭岩深有体会地说：“我们在瞄准国家需求、解决现实问题的过程中，往往会意外发现一些新现象。只有做到知其然也知其所以然，才有可能在未来更加高效地进行分子设计育种。”
在他看来，国家自然科学基金作为资助基础研究的主渠道，为他们深入解释新现象背后的新机制发挥了不可替代的作用。“在国家资源有限的现实条件下，以任务牵引基础研究，无疑是一种开展有组织科研的良好模式。”郭岩说。
团队中，大家也常常互相勉励：做基础研究就要老老实实，把基础打得牢一点、实一点。
在这样的思想导向下，团队在人才培养方面成果丰硕。巩志忠、杨淑华、郭岩等学者的研究成果得到国际学术界的高度关注与广泛引用。王毅则凭借出色的科研能力和创新成果，获得青年科学基金项目（A类）的资助。团队还培养了大批优秀研究生，其中12人荣获国家奖学金。他们在基因克隆、信号通路解析等方面取得诸多创新性成果，成为推动农业科技进步的生力军。
面向未来，团队将目光投向了AI for Science（人工智能驱动的科学研究）。团队计划通过精确测定每一个基因在特定细胞、特定环境下的贡献值，积累海量的精准数据。
郭岩相信，当所获得的底盘数据足够丰富时，AI有望通过算法自动拼凑出植物应对逆境的调控网络，从而为未来AI辅助的分子设计育种打下坚实的数据基石。
《中国科学报》(2026-06-29 第4版 自然科学基金)