科技日報記者 王春

“民以食為天，食以安為先”，隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，高溫脅迫成為制約世界糧食生產(chǎn)安全的最為主要的脅迫因子之一。據(jù)報道，平均氣溫每升高1℃，會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物3%-8%左右的減產(chǎn)。因此，挖掘高溫抗性基因資源、闡明高溫抗性分子機制以及培育抗高溫作物新品種成為當(dāng)前亟待攻克的重大課題。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣研究團隊和上海交通大學(xué)林尤舜研究團隊合作，在研究中發(fā)現(xiàn)調(diào)控水稻高溫抗性的新機制，這項成果不僅首次揭示了在一個控制水稻數(shù)量性狀的基因位點（TT3）中存在由兩個拮抗的基因（TT3.1和TT3.2）組成的遺傳模塊調(diào)控水稻高溫抗性的新機制和葉綠體蛋白降解新機制，同時發(fā)現(xiàn)了第一個潛在的作物高溫感受器。該研究成果于6月17日在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

一直以來，通過正向遺傳學(xué)方法挖掘控制高溫抗性的數(shù)量性狀基因位點難度大、具有挑戰(zhàn)性。研究團隊經(jīng)過近十年的努力，終于成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點TT3，并且闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機制。

研究團隊通過對大規(guī)模水稻遺傳群體進行交換個體篩選和耐熱表型鑒定，定位克隆到一個控制水稻高溫抗性的基因位點TT3。來自非洲栽培稻（CG14）的TT3基因位點相較于來自亞洲栽培稻（WYJ）的TT3基因位點具有更強的高溫抗性。通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)TT3基因位點中存在兩個拮抗調(diào)控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2，這為揭示復(fù)雜數(shù)量性狀的分子調(diào)控機制提供了新的視角。

為了了解TT3的生產(chǎn)應(yīng)用價值，研究團隊通過多代雜交回交方法把高溫抗性強的非洲栽培稻TT3基因位點導(dǎo)入到亞洲栽培稻中，培育成了新的抗熱品系即近等基因系NIL-TT3CG14。

在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下，NIL-TT3CG14的增產(chǎn)效果是對照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右，同時田間高溫脅迫下的小區(qū)增產(chǎn)達到約20%。通過轉(zhuǎn)基因方法進一步驗證TT3.1和TT3.2的高溫抗性效果，結(jié)果表明在高溫脅迫下，過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產(chǎn)效果。

而在正常田間條件下，它們對產(chǎn)量性狀沒有負(fù)面的影響。此外，由于TT3.1和TT3.2在多種作物中具有保守性，因此它們?yōu)樽魑锟垢邷赜N提供了珍貴的基因資源，具有廣泛應(yīng)用前景和商業(yè)價值。

在機制上，進一步研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)膜定位的TT3.1在高溫誘導(dǎo)下能夠發(fā)生其蛋白定位的改變，從細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移至多囊泡體中，招募并泛素化細(xì)胞質(zhì)中的TT3.2葉綠體前體蛋白、通過多囊泡體-液泡途徑降解，從而導(dǎo)致進入葉綠體的成熟態(tài)TT3.2蛋白的量減少，減輕在熱脅迫下TT3.2積累所造成的葉綠體損傷，實現(xiàn)在高溫脅迫下對葉綠體的保護，從而提高水稻的高溫抗性。

這些結(jié)果表明TT3.1可能是一個潛在的高溫感受器，同時也闡明了葉綠體蛋白降解的新機制。該研究發(fā)現(xiàn)的TT3.1-TT3.2遺傳模塊首次將植物細(xì)胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號聯(lián)系起來，揭示了嶄新的植物響應(yīng)極端高溫的分子機制。

借助分子生物技術(shù)方法將該研究發(fā)掘的抗高溫新基因TT3.1/TT3.2應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高溫育種改良中，提高不同作物品種的高溫抗性，維持其在極端高溫下的產(chǎn)量穩(wěn)定性，對于有效應(yīng)對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題具有重要意義。

中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生張海（上海科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)）為本文第一作者，林鴻宣院士和林尤舜副教授為本文共同通訊作者。該研究工作得到國家基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中科院先導(dǎo)科技專項（B類）、上海交大、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)廣東省實驗室等的資助。