20世紀中葉，以半矮稈品種為代表的第一次綠色革命極大提升了全球糧食產量，顯著緩解了當時的饑餓與糧食短缺危機。但近年來，氣候變化、資源緊張和農業管理滯后使主要作物產量增速放緩，部分地區甚至連續減產。同時，傳統高投入農業模式帶來的氮肥過量施用，也引發了土壤退化、水體污染等生態問題。如何在資源有限的前提下實現穩產增產，成為當今農業面臨的關鍵挑戰。 

　　文章圍繞水稻、小麥、玉米和大豆四大主糧作物，系統闡述了適應現代高密度種植與資源限制條件下的理想株型特征。例如，水稻應具中等株高、適量分蘗、直立厚葉與發達根系；玉米則需智慧冠層結構、低株高與強根系以適應密植；小麥和大豆分別強調抗倒伏結構與高效固氮系統。然而，單一的株型結構改良尚不足以支撐未來農業的高產與可持續發展。為此，文章進一步提出“最佳生理型”概念，通過調控關鍵代謝路徑與生理機制，系統提升光合效率、營養利用率及逆境適應性，并強調作物“可塑性”在實現穩產高產中的關鍵作用。 

　　結合高通量組學、人工智能與基因編輯等前沿工具，研究團隊提出“生理聚合”新策略，即系統聚合多個優異生理機制相關基因，協同提升作物形態與功能。文章同時倡議啟動“作物種質資源泛基因組計劃”和“作物表型組計劃”，建設農業大數據平臺，支撐AI驅動的作物設計與精準育種。未來，通過生理調控、結構重塑與現代農業技術相融合，有望在不顯著增加資源投入的前提下，實現作物產量提升30%、資源利用效率提升20%的戰略目標，為保障全球糧食安全和推動農業可持續發展提供有力支撐。 

　　作科所李霞副研究員、研究生解晨和程琳為該論文的共同第一作者，周文彬研究員為通訊作者。作科所錢前研究員、童紅寧研究員和德國馬普分子植物生理研究所Ralph Bock教授也參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學基金、“科技創新2030”—農業生物育種重大項目、作物基因資源與育種全國重點實驗室、中國農業科學院科技創新工程等項目的資助。

 

　　文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779925001295