大气CO2 浓度与温度胁迫下水稻鞘非结构性碳水化合物的动态变化及源库平衡调控机制

为应对气候变化对水稻产量与品质的威胁，南京信息工程大学团队通过开顶式气室（OTC）模拟高CO2 （600 ppm）与升温（+2°C）条件，系统研究粳稻“宁粳9108”非结构性碳水化合物（NSC）积累与转运机制。研究发现：高CO2 促进NSC合成（淀粉↑9.86%）及蔗糖转运基因（OsSUT1/2↑131.85%）表达，而高温则抑制NSC积累（↓16.67%）与氮分配（茎鞘氮↓17.29%）。该成果为气候智慧型水稻栽培提供理论依据，发表于《Journal of Plant Physiology》。

　　

全球气候变化正以惊人的速度重塑农业生态系统。随着大气CO₂
浓度突破415 ppm、全球平均气温较工业革命前上升1.5-2°C，作为人类主食的水稻面临前所未有的挑战。有趣的是，CO₂
升高虽能增强水稻光合作用，但伴随的“氮稀释效应”和碳代谢紊乱可能导致“虚胖”植株——叶片堆积大量非结构性碳水化合物（NSC）却无法有效转化为产量。更棘手的是，高温会直接“灼伤”水稻的生殖生长，尤其在抽穗灌浆期导致籽粒败育。当这两种气候因子叠加时，是相互抵消还是雪上加霜？这个关乎全球半数人口饭碗的问题，正是南京信息工程大学农业气象与生态实验站团队试图解答的科学谜题。

研究人员采用开顶式气室（OTC）精准控制CO₂
（600 ppm）和温度（+2°C），设置4组处理：对照（ACT）、高CO₂
（EC）、高温（ET）及复合处理（ECT），以长江流域主栽粳稻“宁粳9108”为材料。通过测定鞘NSC含量、氮分配、抗氧化酶活性及OsSUT1/2基因表达等指标，结合表型观测，系统解析气候因子互作对源库平衡的调控机制。

响应NSC积累与转运
高CO₂
使抽穗期茎鞘淀粉和可溶性糖分别增加9.86%和6.33%，总NSC提升9.30%，印证了“碳肥效应”。但高温则使二者降低6.24%和16.67%，导致NSC净减少7.75%。令人意外的是，复合处理（ECT）下NSC仍下降1.07%，表明高温完全抵消了CO₂
的增益。进一步分析发现，高CO₂
使茎鞘NSC表观转运量增加14.29%，而高温使其降低12.50%，这与OsSUT1/2基因表达变化高度一致——前者上调69.55%和131.85%，后者则显著抑制。

氮代谢与抗氧化防御
叶片氮浓度在高CO₂
下降低16.26%，印证了“氮稀释”现象；高温则使茎鞘和穗部氮分别减少17.29%和16.53%。复合处理中，CO₂
未能缓解高温的负效应。抗氧化酶数据揭示，高温显著诱导超氧化物歧化酶（SOD）活性，暗示氧化应激可能是抑制NSC转运的关键因素。

讨论与展望
这项研究首次阐明高CO₂
与高温对水稻源库平衡的拮抗作用：CO₂
升高通过增强光合碳同化和OsSUTs介导的糖转运提升产量潜力，而高温则破坏氮代谢平衡并引发氧化应激，最终导致“源强库弱”的失衡状态。该发现为气候智慧型农艺措施（如抗逆品种选育、CO₂
-温度协同调控）提供精准靶点。未来研究可结合多组学手段，解析OsSUTs转录后修饰如何响应环境互作，为培育“高转运效率”水稻提供分子设计蓝图。