研究破解作物“午睡”百年谜题，让水稻增产一到四成。 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，平均造成作物减产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年被学界发现至今，成为困扰科学界的百年难题。
现在，中国科学家在解决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，通过十年跨学科联合攻关，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，通过类似于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，这个机制能够让水稻等农作物产量显著提升10%—40%，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。相关研究6月18日在线发表于《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。
根据这一理念，他带领团队培育出产量高、口感好、出米率高、高抗倒伏和稻瘟病的嘉优中科与中科发系列优异水稻新品种，其中仅中科发5号累计实际种植面积就达3000多万亩。他们还实现了我国早粳稻零的突破，培育出双季早粳稻新品种，推动建立了我国首个早粳稻审定标准。
李家洋在稻田。受访者供图
不过，很多人不知道的是，过去10年，李家洋还布局了另外一项基础研究—寻找作物午睡现象的解决路径。
这是全球植物学、农学的经典科学问题。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—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，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。
这一被迫停工，直接造成农作物平均减产30%。也就是说，每三亩地的产量，就有大约一亩地的产量因为中午午睡白白损失。这也是多年来粮食产量难以突破的关键瓶颈。
早在二十世纪八九十年代，中国科学院院士匡廷云、李振声、沈允钢等国内知名学者就曾开展小麦等作物午睡现象的生理研究。他们对远缘杂交小麦品种小偃54和普通小麦品种京411进行了对比研究，发现小偃54在中午强光下的光合速率高于京411，其光系统II捕光色素蛋白复合体在强光下不易发生解聚。此外，在两者后代中选育的高光效品系，其光合作用能力在上午正常光照和中午强光下均超过了亲本。然而，受限于当时的技术手段，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，全球仍有许多科学家都在尝试解决这个问题，主要的研究思路是修复损伤或增强抗性，但始终未能摸清其底层机制。
李家洋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，邵宁副研究员加入李家洋位于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。
邵宁成长于建筑工程家庭，却对生物学抱有浓厚兴趣，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，聚焦藻类和植物活性氧信号的研究。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，其中的机制并不明确。
邵宁在田间观测水稻生长情况。受访者供图
李家洋敏锐地意识到，MBS1可能是破解作物午睡现象的一个突破口。我们就做作物，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，研究团队就耗了整整三年。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该蛋白结构，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：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’就地形成；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》比喻说。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的视角。
通过MBS1蛋白凝聚体小液滴实现的叶绿体防晒功能，赋予植物高光耐受性。受访者供图
走到这一步，他们已经用了6年多的时光。不过，单是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、哈尔滨等多地开展大田试验。与底盘对照品种稻花香相比，测产结果显示：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，增产幅度可高达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地解决高光抑制光合作用这个核心矛盾。李家洋说。研究还意外发现，MBS1蛋白增强表达的水稻材料可提前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。
在北京试验田里，MBS1过表达稻花香（中间列）相比普通稻花香品种增产达到20%—30%。受访者供图
研究者依据初步观察推测，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。
每一步艰难都值得
研究工作投至《细胞》后，该刊编辑部邀请了多个领域的国际专家进行评审把关，专家们从各个角度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？
研究团队做了大量的补充实验，逐一回答这些问题：他们联合遗传发育所光物理专家降雨强研究员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；用荧光标记、活体成像，拍到高光下MBS1蛋白确实包被在叶绿体表面；并以多年多地的田间试验，反复排除过氧化氢等因素，锁定单线态氧的核心作用，用海量一手数据回应国际审稿人的问题。
回忆这段经历，李家洋笑言：越是原创的东西，越是没人见过，审稿人的问题就越是尖锐严格，因为审稿人真的要尽可能确保正确，而不是在为难你。
李家洋在田间观察用野生稻开展的高光效试验情况。受访者供图
最终，他们的研究获得了审稿人的高度评价，认为该成果十分重要、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。
研究通过创新技术的独特组合所获得的发现具有潜在的变革性，它将活性氧信号传导与液－液相分离、亚细胞光学特性以及光保护联系起来，提出的机制在转化应用层面得到了验证，让水稻产能显著提高。其中一位审稿人评价道。
回顾研究历程，在推进作物午睡机制这个研究中，李家洋和邵宁选择了10年零发表，坚持讲一个完整的故事。没有成果，对于邵宁来说，就意味着要待在副研的位置上无法晋升。不过，她坦言自己对此比较超脱，对研究始终保持着相对从容的节奏。
不过也有让邵宁不淡定的时候，2022年当她向液相分离领域的权威学者请教交流并得到肯定时，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。如果路线不对，20年也没用。李家洋说，现在回看，每一步艰难都值得。我们解决的不仅是百年作物‘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。
谈及下一步，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的早日应用，让这种源自自然的智慧防护机制真正赋能现代农业高产稳产，筑牢国家粮食安全屏障。（来源：中国科学报 冯丽妃）
相关论文信息：https:doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.042
作者：李家洋等 来源：《细胞》
