這位讓作物不再怕冷的科學(xué)家，為什么做科研時(shí)愛(ài)翻《毛選》？

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每年三四月，春意正濃時(shí)，總有幾天冷空氣突然折返：“倒春寒”，“乍暖還寒”…… 從古至今，人類造出無(wú)數(shù)詞語(yǔ)，來(lái)形容面對(duì)這種氣溫驟降的措手不及。

不過(guò)，對(duì)于不會(huì)“天冷加衣”的植物，倒春寒的影響遠(yuǎn)超想象，尤其是剛好在花期遭遇降溫的作物，輕則減產(chǎn)，重則絕產(chǎn)，這是因?yàn)?strong>僅是幾個(gè)寒冷的夜晚，就會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷花粉的活力，導(dǎo)致授粉和結(jié)實(shí)失敗。幾百年來(lái)農(nóng)民們對(duì)此幾乎束手無(wú)策，灌水、熏煙等常見(jiàn)防凍措施，往往收效甚微。僅 2024 年，全國(guó)因低溫受災(zāi)的農(nóng)作物約 1400 萬(wàn)畝，經(jīng)濟(jì)損失超 256.2 億元。

2026 年 6 月，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究員團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表論文：Cold-induced peptide signalling secures pollen resilience and crop yield，揭示了一個(gè)花粉的“防凍開(kāi)關(guān)“——平時(shí)不啟動(dòng)，低溫時(shí)啟動(dòng)保護(hù)花粉，增強(qiáng)這一開(kāi)關(guān)的靈敏度，番茄在低溫下的產(chǎn)量損失可減少約 52%。

《Nature》審稿人將這項(xiàng)研究評(píng)價(jià)為：“一項(xiàng)杰出的成就，也是植物抗冷研究領(lǐng)域的重大突破”。

在采訪中，許操提到自己平時(shí)喜歡讀《毛澤東選集》——“抓住復(fù)雜問(wèn)題的主要矛盾”，“凡事都有兩面性”……在他的敘述里，這些豐富深刻的哲學(xué)思想，依舊適配于今天的科研范式，在實(shí)驗(yàn)室里又迸發(fā)出新的活力。

許操

“沒(méi)有調(diào)查，就沒(méi)有發(fā)言權(quán)”

2017年，許操結(jié)束在美國(guó)冷泉港的博后生涯，回到中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所組建了自己的團(tuán)隊(duì)。

新的研究從哪里起步？他沒(méi)有只在文獻(xiàn)中找答案，而是一頭扎進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)田間地頭，去問(wèn)那些生產(chǎn)第一線的農(nóng)民、育種專家：生產(chǎn)中長(zhǎng)期困擾他們，又一直沒(méi)有得到解決的問(wèn)題是什么？

花期遭遇低溫后坐果失敗，就是反復(fù)出現(xiàn)的答案之一。如果幼苗遭遇短暫低溫，天氣回暖后還有恢復(fù)的可能，但花粉發(fā)育只有一次機(jī)會(huì)，低溫打斷了花期窗口，就無(wú)法再重來(lái)。更棘手的是，遭遇低溫后，種植戶無(wú)法判斷哪些花粉已經(jīng)敗育，仍要按照原來(lái)的規(guī)模澆水、施肥和管理，只有等到掛果時(shí)，才發(fā)現(xiàn)幾個(gè)寒夜已經(jīng)把收成帶走了大半，所以往往投入一分沒(méi)少，收獲只剩下原來(lái)的幾成。

“對(duì)科研人員來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題晚一年解決，好像沒(méi)有什么。但對(duì)農(nóng)戶來(lái)說(shuō)，那可能就是打了水漂的錢(qián)，甚至是孩子一年的學(xué)費(fèi)。”許操說(shuō)。

圖片來(lái)源：視圖網(wǎng)

怎樣讓作物抗凍？

傳統(tǒng)育種中，一種常見(jiàn)思路是，去那些生活在寒冷地區(qū)的野生種質(zhì)中尋找耐冷基因，再通過(guò)雜交等方式將其導(dǎo)入栽培品種。但這種方法常常帶來(lái)另一矛盾———抗逆基因的導(dǎo)入，也會(huì)帶來(lái)減產(chǎn)的代價(jià)。

“野生品種本來(lái)就生活在寒冷地區(qū)，像是一年到頭穿著羽絨服。栽培品種可能只偶爾挨幾天凍，把這套基因塞進(jìn)來(lái)，相當(dāng)于讓栽培種一年四季都裹著棉襖，那不是抗凍，是在捂汗, 導(dǎo)致作物用來(lái)生長(zhǎng)，結(jié)果的能量，都消耗在不必要的抗凍上。”許操解釋道。

回程路上，一條路徑突然在他腦中清晰起來(lái)：讓作物“順境高產(chǎn)，逆境穩(wěn)產(chǎn)”，激活作物按需啟動(dòng)的抗逆開(kāi)關(guān)，正常時(shí)保持高產(chǎn)不空耗能量，逆境下開(kāi)關(guān)才啟動(dòng)保護(hù)。

“抓住主要矛盾”

尋找開(kāi)關(guān)之前，首先要回答一個(gè)更基礎(chǔ)的問(wèn)題：低溫為什么會(huì)讓花粉敗育？

答案藏在花藥內(nèi)部一層短暫存在的細(xì)胞中——絨氈層。

花粉在花藥中發(fā)育時(shí)，絨氈層包圍著花粉，為其提供多種發(fā)育所需物質(zhì)，像是花粉早期發(fā)育的“保姆”，但這個(gè)“保姆”不會(huì)一直存在。到了特定階段，絨氈層會(huì)準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)程序性細(xì)胞死亡，為花粉細(xì)胞發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)，為花粉壁形成提供材料，隨后花粉發(fā)育成熟并從花藥中釋放。研究發(fā)現(xiàn)，低溫會(huì)推遲絨氈層的“生物鐘”，讓它該退場(chǎng)時(shí)不退場(chǎng)，干擾花粉壁形成和正常發(fā)育，最終造成花粉敗育。

花藥橫切面

圖源：Nature

所以許操要找的那個(gè)開(kāi)關(guān)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是讓絨氈層按時(shí)退場(chǎng)“不掉鏈子”的開(kāi)關(guān)。

一種具有“按需開(kāi)關(guān)”潛力的物質(zhì)進(jìn)入了他的視野——小信號(hào)肽，較短的氨基酸序列組成的信號(hào)分子，某些小肽可以在特定環(huán)境中迅速產(chǎn)生，又能在任務(wù)完成后被降解。相比一個(gè)持續(xù)表達(dá)的抗性基因，小肽信號(hào)更可能實(shí)現(xiàn)短時(shí)的調(diào)控。許操形容它“嗓門(mén)不大，但話語(yǔ)權(quán)很大”

更重要的是，小肽還提供了兩條應(yīng)用路徑：一條是通過(guò)遺傳改良，優(yōu)化作物自身的小肽信號(hào)；另一條是合成具有活性的小肽，在寒潮到來(lái)前進(jìn)行外源噴灑處理，類似為植物使用一種“多肽藥物”。

“我們一開(kāi)始有點(diǎn)貪心。”許操說(shuō)，“既希望給農(nóng)戶提供一種短期可用的辦法，也希望找到長(zhǎng)期穩(wěn)定的育種方案。”

“世界上怕就怕認(rèn)真二字”

為了把這個(gè)“貪心”的目標(biāo)落地，許操和他的團(tuán)隊(duì)用了8年。小肽極難研究，表達(dá)量低、序列太短、缺乏保守的結(jié)構(gòu)特征，常規(guī)基因組注釋很容易將它們漏掉，要從龐大的植物基因組中找出特定功能的小肽編碼基因，無(wú)疑是大海撈針。

要撈針，第一步是找到正確的海域去撒網(wǎng)——既然要在低溫下找開(kāi)關(guān)，那么對(duì)于作物來(lái)說(shuō)，什么樣的溫度算真實(shí)田間地頭的"低溫"？

回答這個(gè)問(wèn)題，是整個(gè)研究中耗時(shí)最久的一項(xiàng)攻堅(jiān)，花了三年多的時(shí)間，他們給番茄大棚加裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)溫度，又回到實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)人工氣候室中驗(yàn)證，最后明確了花粉發(fā)育對(duì)低溫敏感的關(guān)鍵時(shí)期及溫度耐受閾值。——單核早期以前的花粉比較敏感，氣溫降到12℃，花粉基本就全面敗育。

“就這一步,讓我們比別人更早真正了解了植物的抗冷潛力”，許操說(shuō)，“如果不較真這個(gè)溫度閾值到底卡在哪里。就好像醫(yī)生給藥，原來(lái)一直不知道什么劑量才是最合適的。”

確定了海域，就開(kāi)始下海撈針，許操團(tuán)隊(duì)多管齊下，重新注釋了番茄基因組，篩選出一千多個(gè)候選小肽然后再結(jié)合低溫花藥轉(zhuǎn)錄組、AI輔助蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、組織細(xì)胞定位和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，層層篩下來(lái), 最終，他們撈到了那根針——SlRGF小肽，它們?cè)谡l件下表達(dá)極低，遭遇低溫后卻會(huì)迅速被誘導(dǎo)，更重要的是，這兩個(gè)RGF小肽主要集中在花藥絨氈層。在正常溫度下，敲除這個(gè)小肽基因的番茄與野生型沒(méi)有明顯差別；一旦遭遇低溫，突變體的花粉活力和坐果能力下降約50%。

低溫時(shí)，當(dāng)SlRGF9和SlRGF10被敲除，花粉活力下降

圖源：Nature

最后許操團(tuán)隊(duì)補(bǔ)全了整個(gè)故事：低溫到來(lái)時(shí)，兩個(gè)RGF小肽被誘導(dǎo)表達(dá)并分泌到胞外，再通過(guò)花藥的細(xì)胞膜受體和鈣離子通道，把抗冷信號(hào)傳遞下去。這套信號(hào)能幫助絨氈層按時(shí)供給和準(zhǔn)時(shí)退場(chǎng)，為花粉的正常發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)和能量。

《Nature》同期的研究簡(jiǎn)報(bào)把其中發(fā)揮作用的兩個(gè)小肽稱作守護(hù)作物抵御驟冷的“隱秘英雄”——平時(shí)不露聲色，低溫到來(lái)時(shí)才挺身而出。

“壞事在一定條件下可以變成好事”

抗冷機(jī)制找到了，還需要回答農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最關(guān)心的問(wèn)題：激活這兩個(gè)小肽的表達(dá)，能不能降低作物因冷害造成的減產(chǎn)？

論文一作，許操團(tuán)隊(duì)博士后陳樹(shù)棟設(shè)計(jì)了自然低溫條件下的連續(xù)測(cè)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。他同時(shí)比較適度上調(diào)RGF基因表達(dá)的改良型番茄與對(duì)照組第一、第二和第三穗花果產(chǎn)量。番茄不同花穗并不是同時(shí)開(kāi)放，第一穗最早開(kāi)花，第二、第三穗再陸續(xù)進(jìn)入花期。

實(shí)驗(yàn)中，第一穗開(kāi)花時(shí)遇上了低溫，改良品種的坐果率比野生型高出百分之六七十

許操課題組合照

蹲在C位的人是陳樹(shù)棟

可等第二穗、第三穗開(kāi)花時(shí)，天氣已經(jīng)回暖，改良品種和對(duì)照組之間幾乎看不出區(qū)別。

陳樹(shù)棟拿著數(shù)據(jù)找到許操時(shí)整個(gè)人都蔫了，以為這批樣品全廢了，得等來(lái)年重做。許操聽(tīng)完卻說(shuō)：這不是好事嗎？陳樹(shù)棟愣住了。許操解釋：“第一穗低溫，改良組表現(xiàn)良好，第二、三穗溫度一回升，改良組和對(duì)照組又表現(xiàn)一樣——這恰恰證明，我們這個(gè)基因只在低溫時(shí)啟動(dòng)，溫度正常時(shí)一點(diǎn)不耽誤正常生長(zhǎng)。這種實(shí)驗(yàn)，你想設(shè)計(jì)都設(shè)計(jì)不出來(lái)，是老天爺給你開(kāi)了一扇天窗。” 果然，后來(lái)審稿人對(duì)這組數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)很高，稱這組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得極為精巧。

“實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有絕對(duì)的好壞，關(guān)鍵在于你從哪個(gè)角度理解它。”許操說(shuō)，這種總能看到事物兩面性的習(xí)慣，也來(lái)自《毛選》對(duì)他的影響。

更令人振奮的是，這套信號(hào)系統(tǒng)并非番茄特有。團(tuán)隊(duì)也在水稻、玉米和大豆中，上調(diào)了RGF小肽的基因表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)這套抗冷通路在單子葉和雙子葉作物中具有較強(qiáng)的保守性。在水稻中，上調(diào)抗冷通路的基因表達(dá)能顯著提高花粉的低溫韌性，可在水稻主栽品種中挽回約18.3%的冷害減產(chǎn)。

圖源：Nature

“不破不立”

一個(gè)抗冷的小肽開(kāi)關(guān)，并不是許操設(shè)想的終點(diǎn)。他更關(guān)心的，是如何培育“環(huán)境智能作物”——讓作物能自己感知環(huán)境變化，并進(jìn)行自主調(diào)節(jié)生長(zhǎng)和防御，而不是都等著人工干預(yù)。

"就好比讓它成為一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的好學(xué)生,而不是一個(gè)永遠(yuǎn)需要人照顧的孩子。"許操解釋到。他不想將作物視為被動(dòng)等待改造的材料，而是把它們當(dāng)作一個(gè)能夠感知、和調(diào)整自己的生命系統(tǒng)。

這種思路也貫穿在許操團(tuán)隊(duì)的其他研究中。

2025年，他們?cè)凇禖ell》發(fā)表了一項(xiàng)作物與機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)的研究，開(kāi)發(fā)了首款智能雜交授粉機(jī)器人“吉兒（GEAIR）”。這項(xiàng)研究最別具一格的地方在于，由于花的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不同品種花型各異，過(guò)去的機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)雜交授粉，他的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有沿用當(dāng)下的農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)策略：一味提高機(jī)器人的適應(yīng)能力和復(fù)雜度來(lái)迎合作物，而是另辟蹊徑，改變底層邏輯：利用基因編輯重新設(shè)計(jì)番茄花的結(jié)構(gòu)，給花朵做了一個(gè)雄蕊“燙發(fā)”——雄蕊“像燙過(guò)的卷發(fā)般”裂開(kāi)，接受花粉的柱頭自然外露，這樣的花型，大幅降低機(jī)器人操作難度和研發(fā)成本。

許操把這種解決問(wèn)題的思路稱為“雙向奔赴”，作物不再只是被動(dòng)接受技術(shù)，其本身主動(dòng)作為，也成為解決問(wèn)題的一種新技術(shù)。他把這種敢于轉(zhuǎn)換方向、重新提出問(wèn)題的底氣，歸結(jié)于學(xué)生時(shí)代的耳濡目染和理論積淀，以及各種新技術(shù)的涌現(xiàn)和成熟帶來(lái)的機(jī)遇。

他說(shuō)自己曾遇到的導(dǎo)師都敢于提出新理論；讀博期間,他親歷了導(dǎo)師李家洋團(tuán)隊(duì)在水稻分子設(shè)計(jì)育種領(lǐng)域從0到1再到100的原始創(chuàng)新，引領(lǐng)我國(guó)水稻基礎(chǔ)理論和育種研究從跟跑、并跑到領(lǐng)跑全球的全過(guò)程——“以前是讀文獻(xiàn)都看發(fā)達(dá)國(guó)家怎么做，到現(xiàn)在很多領(lǐng)域開(kāi)始全世界來(lái)看我們?cè)趺醋觥！彼a(bǔ)充到，“中國(guó)科學(xué)家不應(yīng)只在別人建立的框架里修修補(bǔ)補(bǔ)，而應(yīng)當(dāng)敢于提出自己的理論。”

“做難的事和做簡(jiǎn)單的事，花的時(shí)間很多時(shí)候是一樣的。”許操說(shuō)，“那不如一開(kāi)始就去啃那些硬骨頭。”

“從群眾中來(lái)，到群眾中去”

許操實(shí)驗(yàn)室的logo，是由一堆番茄拼成的，旁邊還有三個(gè)字——“三鮮社”，這是2017年建組時(shí)，許操的學(xué)生們自己討論設(shè)計(jì)的。

至于這個(gè)“三鮮”則有兩層含義，一是鮮活的理論、鮮活的技術(shù)、鮮活的種子——回看許操實(shí)驗(yàn)室的每一項(xiàng)工作，都在追求這“三鮮”。

二是借了“地三鮮”的煙火氣——土豆、茄子、辣椒和番茄，都是茄科家族，看起來(lái)普通，合起來(lái)卻是中國(guó)最重要的蔬菜產(chǎn)業(yè)之一，總產(chǎn)值近萬(wàn)億元。許操說(shuō)，“大家都盯著電動(dòng)汽車(chē)，芯片，其實(shí)這平時(shí)不起眼的番茄、土豆、辣椒，也關(guān)乎國(guó)計(jì)民生和中國(guó)飯碗。”

農(nóng)業(yè)科研要“兩腳沾泥”，這是他反復(fù)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)的一句話。農(nóng)業(yè)科技工作者如果連田里正在發(fā)生什么都不知道，就很難判斷實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)該做什么。

此前，在一次調(diào)研中，種植戶向許操提出番茄第一穗花坐果不穩(wěn)、果實(shí)整齊度不足、畸形果多的問(wèn)題，他把這個(gè)問(wèn)題帶回實(shí)驗(yàn)室，摸清機(jī)制，又將成果用于品種改良和精準(zhǔn)栽培。

后來(lái)再回到產(chǎn)區(qū)，農(nóng)民指著碩果累累的植株告訴他：“許老師，我們當(dāng)時(shí)說(shuō)的問(wèn)題，你們竟然真的給解決了。”

“看到他們笑的時(shí)候，我覺(jué)得，自己確實(shí)在做一件有意義的事。”許操說(shuō)。

本文內(nèi)容基于發(fā)表于《Nature》（2026年）的研究論文《Cold-induced peptide signalling secures pollen resilience and crop yield》，及對(duì)論文通訊作者許操研究員的采訪。

*未注明來(lái)源圖片由受訪人許操提供。