文章信息
文章标题：Real-time emulation of future global warming reveals realistic impacts on the phenological response and quality deterioration in rice
文章译名：实时模拟未来全球变暖对水稻物候响应和品质下降的实际影响
发表期刊：PNAS
在线时间：2024.05.13
通讯作者：Hironori Itoh
通讯地址：Breeding Big Data Management and Utilization Group, Institute of Crop Science, National Agriculture and Food Research Organization, Tsukuba, Ibaraki 305-8518, Japan
研究背景
气候变化已被科学预测会导致作物产量下降。为了确保粮食安全和支持可持续农业，开发气候适应性作物品种是必要的。然而，预测作物在未来全球变暖条件下的生长具有挑战性。本文旨在评估实际全球变暖条件对水稻种植的影响。为此，研究团队开发了一种新的作物评估平台，即农业环境模拟器（AE模拟器），该模拟器通过完全人工照明的生长室，营造多样化的环境来模拟自然环境的波动。
AE模拟器通过使用多个年份同一地点和同一年多个地点的公开气象数据，再现了自然环境的波动，验证了水稻在人工环境波动中获得的环境响应性与自然环境中的表现相似。基于代表性浓度路径（RCP）进行的实时模拟显示，在严重的全球变暖条件下，水稻物候期显著提前，粮食产量减少35%，质量退化85%。研究还发现温度和二氧化碳浓度的协同作用显著改变了基因表达，增强了开花、热应激适应和二氧化碳响应基因的表达。
主要结果
1. 生长周期和物候变化：在RCP8.5情景下，水稻的生长周期显著提前，播种后至抽穗的天数减少了9到19天，具体取决于品种。所有5个品种的开花时间都在温度急剧上升且持续高于30°C的时期，导致穗重显著减少，表明对粮食性状有负面影响。
2. 粮食产量和质量：严重的全球变暖对水稻的粮食产量和质量产生了不利影响。在RCP8.5情景下，高温显著增加了空秕率，单个穗重减少了约35%。此外，白垩粒的发生率显著增加，尤其是在RCP8.5_CO2环境下，白垩粒的发生率接近40%，而在 Koshihikari 品种中达到约85%的质量退化。
3. 基因表达变化：在不同温度和二氧化碳浓度组合下，研究分析了水稻叶片的转录组。主成分分析表明，RCP8.5情景下的环境显著改变了基因表达谱，标志着基因表达的显著动态变化。在RCP8.5_CO2环境中，表达显著变化的基因数量显著增加，这些基因主要涉及热应激适应和二氧化碳反应。
文章图表
图1. 模拟器生成的环境响应性与自然环境的验证结果。(A) 不同年份的日平均温度数据分布图；(B)模拟的季节性变化与实际数据对比；(C) 五种水稻品种在不同环境下的开花时间、茎长和穗长对比；(D) AE模拟器中模拟的各年份五个品种的抽穗天数差异与累计PPFD或平均温度波动之间的相关性。
图2. 模拟器中生长的水稻对比分析。(A) 反映两个RCP情景的未来全球变暖模拟，显示了逐小时温度变化和设定的CO2浓度值；(B) 日常温度的观测值；(C) 不同模拟环境下植物高度和分蘖数的生长模式图；(D) 播种后至抽穗的天数。
图3. 严重全球变暖对水稻产量和质量的负面影响。(A) 五个品种穗部与产量相关特征的图表；(B) 白垩粒比例；(C) 各环境模拟下稻米的外观; (D) 在未来全球变暖模拟下不同稻米表型百分比。
图4. 植物在模拟全球变暖下的生理状态分析。(A) 主成分分析显示在RCP8.5环境下的基因表达变化；(B, C) 两个品种共有的1301个差异表达基因的分类；(D) 热应激适应基因的表达情况；(E) 在高CO2下响应外部信号的基因表达变化；(F) 早花基因的表达变化；(G) 差异表达基因的GO富集分析；(H) 基因表达动态变化显示与当前波动环境相比的不平衡日常生理状态。
