粳稻与籼稻品种对开放式CO2富集的籽粒品质响应差异及其对粮食安全的启示

为解决气候变化背景下水稻品质与产量协同提升的难题，研究人员通过自由大气CO2富集（FACE）系统，对比分析了低响应型粳稻WYJ27和高响应型籼稻YD6的籽粒品质变化。研究发现籼稻YD6在CO2升高环境下品质劣变更小，揭示了品种间差异的生理机制，为选育高产优质适应未来气候的水稻品种提供了关键依据。

　　

随着全球大气CO₂浓度突破426.91 μmol·mol^?1，气候变化对粮食安全的威胁日益严峻。水稻作为全球半数人口的主粮，其产量和品质的协同提升面临双重挑战：一方面，CO₂浓度升高（eCO₂）虽能促进C₃作物光合作用，但不同品种的响应存在显著差异；另一方面，eCO₂往往导致籽粒蛋白质含量下降、垩白增加等品质劣变现象。尤其值得注意的是，既往研究多聚焦粳稻品种，而对高产潜力更大的籼稻品质响应知之甚少。

针对这一科学瓶颈，扬州大学的研究团队利用自由大气CO₂富集（FACE）平台，选取具有典型产量响应差异的粳稻品种Wuyunjing27（WYJ27）和籼稻品种Yangdao6（YD6），系统研究了eCO₂对两类水稻籽粒加工品质、外观品质、蒸煮食味品质及营养品质的影响。研究通过区分穗部不同部位籽粒（顶端一次枝梗的强势粒SS与基部二次枝梗的弱势粒IS），揭示了异步灌浆特性对品质形成的调控机制。

关键技术方法包括：在江苏扬州FACE平台设置环境CO₂（aCO₂）与富集CO₂（eCO₂+200 μmol·mol^?1）处理；按国家标准测定碾米品质、垩白度等指标；采用快速黏度分析仪（RVA）分析淀粉糊化特性；通过电感耦合等离子体光谱仪（ICP）和氨基酸分析仪测定矿质元素与氨基酸组成。

3.1 加工品质
研究发现eCO₂使籼稻YD6的整精米率显著降低10.2%（SS），而粳稻WYJ27仅降低3.2%，表明高产型籼稻对加工品质的CO₂敏感性更高。

3.2 外观品质
籼稻YD6的垩白粒率始终低于5%，且不受eCO₂影响；而粳稻WYJ27的SS垩白粒率在eCO₂下激增41.5%，证实籼稻具有更强的热稳定性。

3.3 蒸煮食味品质
eCO₂显著提升两品种的凝胶稠度（WYJ27-SS增加18%，YD6-IS增加26.3%）和峰值黏度（平均增加7.4%），提示米饭黏弹性增强，这可能更符合粳稻消费区的口味偏好。

3.4 营养品质
粳稻WYJ27的SS蛋白质和11种氨基酸浓度在eCO₂下显著降低（最高降幅17.9%），而籼稻YD6保持稳定。两品种籽粒硫（S）浓度均下降4.5%，但其他矿质元素无显著变化。

研究结论表明，籼稻YD6通过三大机制实现产量与品质的协同提升：强大的库源协调能力保障弱势粒灌浆充实，发达的根系维持氮素吸收效率，以及固有的热耐受性减少垩白形成。该发现为应对气候变化的水稻育种提供了新思路——将籼稻的高产特性与粳稻的优质特性进行跨亚种整合，同时优化根系构型和氮同化效率。

这项发表于《Crop and Environment》的研究首次系统比较了亚种间品质响应差异，挑战了传统"稀释效应"理论（即产量增加必然导致品质下降）。其现实意义在于：为东亚和东南亚稻作区适应2060年CO₂浓度场景提供了品种选择依据；提出的"热耐受性-根系活力-库强"三位一体育种策略，可指导多目标协同改良。未来研究需扩大籼稻种质评价规模，并深入解析碳氮转运蛋白（如OsNRT1.1B）等关键基因的调控网络。