近日，南京信息工程大学生态与应用气象学院冯兆忠教授团队在国际著名学术期刊《Global Change Biology》上发表题为“Joint Ozone Pollution and Climate Warming Reduce Yield but Enhance Grain Protein Content in a Resistant Wheat Variety”的研究论文，揭示了抗性小麦对臭氧污染和气候变暖的响应特征及生理学机制，为实现作物高产和适应气候变化与空气污染的双赢目标提供了科学依据。我院徐彦森副教授为论文第一作者，冯兆忠教授为论文通讯作者。其他作者包括南京农业大学刘兵教授、博士生夏家轩，日本东京大学小林和彦教授，南京信息工程大学Evgenios Agathokleous（金小龙）教授、尚博副教授、博士生马艳泽和硕士生唐家乐。论文得到国家自然科学基金（42130714、42207123、3227198、31950410547）和江苏省青年基金（BK20220448）的资助。
作为全球第三大粮食作物，小麦不仅是人类重要的能量与蛋白质来源，也是全球粮食安全的重要支柱。我国是世界最大的小麦生产国，贡献了全球小麦总产量的17%。当前我国小麦主产区臭氧浓度和气温持续升高，正对小麦产量构成严峻威胁。为保障粮食安全和小麦自给自足，亟需量化臭氧污染和气候变暖对小麦产量及品质的影响，并采取有效措施提高小麦生产对空气污染和气候变化的适应性。
针对上述问题，研究团队在长江中下游麦区建设了首个田间开放式臭氧浓度和温度升高模拟平台（O3-T-FACE）。通过开展连续三年的田间原位实验，系统评估了当前主栽小麦品种在臭氧污染和气候变暖下的叶片光合速率、叶面积、生物量、籽粒产量、产量组成、蛋白质含量及氮素积累的响应特征。整合了已发表文献中的冬小麦产量和籽粒蛋白质对臭氧污染或气候变暖的响应结果，量化分析了小麦品种审定年份与其对臭氧浓度或温度升高耐受性的关系。同时收集长江中下游麦区的大田臭氧浓度升高或增温实验站点的结果，对比分析不同耐受性小麦品种生理性状的响应差异，揭示了抗性小麦适应臭氧污染和气候变暖的生理学机制。
研究发现，臭氧浓度升高导致小麦产量和地上生物量平均下降6%和7%。产量的损失主要归咎于单粒重下降。臭氧浓度升高对穗数、穗粒数及收获指数无显著影响。同时臭氧浓度升高未显著影响籽粒蛋白质含量和地上氮素积累。温度升高对小麦产量和生物量无显著影响。但是增温通过提高氮收获指数和地上氮素积累，显著增加了籽粒蛋白质浓度。
通过对比长江中下游麦区其他小麦品种对臭氧污染或气候变化的生理响应特征。发现臭氧污染主要通过降低灌浆期叶面积指数和叶片光合能力，减少单粒重从而导致减产，而农麦88在灌浆期的叶面积指数和叶片光合性状对臭氧浓度升高的响应显著低于其他品种，保证了充足的碳供给以支持籽粒灌浆。不同品种对温度升高的产量响应差异显著，对增温耐受的小麦品种主要是通过提高营养生长期地上部分氮素累积，减缓了气候变暖导致的灌浆期间叶片光合能力和叶面积指数的快速降低。农麦88在增温下显著增加花前氮吸收，在实现稳产量的同时提高了籽粒蛋白产量。这些结果表明长江中下游麦区的主栽品种已经表现出优良的耐热及耐臭氧双重适应性。
图1 对比全球结果和本研究的小麦产量和籽粒蛋白质浓度对臭氧浓度和温度升高响应差异
本研究通过田间实验印证了选育抗性品种的重要性。打破了全球范围内“新育成品种对臭氧更敏感”的普遍趋势，也表明通过科学育种有可能同时实现高产、优质与环境适应性。这为优化基于过程的作物模型、提高对气候变化和空气污染背景下粮食安全风险的预测精度提供了新的数据支持，也为制定面向未来的耐逆育种策略和区域适应性管理措施提供了重要依据。
论文信息: Yansen Xu, Jiale Tang, Jiaxuan Xia, Yanze Ma, Bo Shang, Bing Liu, Kazuhiko Kobayashi, Zhaozhong Feng*, Evgenios Agathokleous. Joint Ozone Pollution and Climate Warming Reduce Yield but Enhance Grain Protein Content in a Resistant Wheat Variety. Global Change Biology , 2025, 31, no. 7: e70351. https://doi.org/10.1111/gcb.70351.
