让水稻更抗高温!上海科学家发现调控水稻高温抗性的“基因钥匙”

让水稻更抗高温!上海科学家发现调控水稻高温抗性的“基因钥匙”飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2022-06-17 12:50:00


图说:中国科学家在水稻抗高温基因挖掘与机制研究上的研究成果登上《科学》

今年以来最强高温这几天来袭!阳光的炙烤不仅让人没精打采,就连稻田也发蔫一片,严重时产量锐减,威胁粮食安全。就水稻来说,当气温超过34℃后,不仅长得少,还长得“丑”,口感也会下降。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队和上海交通大学林尤舜研究团队合作,找到了能让水稻不怕热的“基因钥匙”——成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3,并且阐明了其调控高温抗性的新机制。今天凌晨2时,这一研究成果登上国际顶尖学术期刊《科学》(Science)。

高温:粮食的自然天敌

权威机构和研究者们曾预言,本世纪高温将成为威胁粮食安全的最主要因素之一。2013年夏,上海松江农场的有些水稻结实率就因酷暑不到10%,几近绝收。

水稻作为全球近半数人口的主粮,其产量的稳定也遭受高温的严重威胁。科学家们一直致力于挖掘高温抗性基因资源、阐明高温抗性分子机制以及培育抗高温作物新品种。

中科院院士林鸿宣很早就开始了作物抗高温的研究。在他的指导下,团队成功分离克隆到了控制非洲稻不怕热的主效基因TT1。今年初,团队又找到了使自身钝感、减少热响应消耗的“佛系基因”TT2。

相比我国种植的、驯化已久的亚洲栽培稻,非洲稻“野生”了不少,却藏着亚洲稻值得“取经”的不怕热基因。林鸿宣团队花了很多“笨功夫”,一点点将非洲稻的遗传片段渗透进亚洲稻中。在不影响“稻爸”“稻妈”育性的前提下,亚洲稻耐热的本事越来越厉害,也为新发现提供了材料保障。

暗藏玄机的高温抗性基因

这一次,研究团队通过对大规模水稻遗传群体进行交换个体筛选和耐热表型鉴定,定位克隆到一个控制水稻高温抗性的基因位点TT3。

进一步研究发现,TT3深藏玄机——基因位点中存在两个拮抗调控水稻高温抗性的基因TT3.1和TT3.2。

图说:TT3.1-TT3.2遗传模块调控抗热与产量平衡的分子机理 来源/中科院分子植物卓越中心(下同)

通过多代杂交、回交方法,科研人员把高温抗性强的非洲栽培稻TT3基因位点导入到亚洲栽培稻中,培育成了新的抗热品系。新品系果然没让大家失望:在高温环境下,增产效果是对照亚洲稻品系的1倍,耐热“极限”也提高到了38℃。此外,在高温胁迫下,过量表达TT3.1或敲除TT3.2也能够带来2.5倍以上的增产效果;而在正常田间条件下,它们对产量、性状没有负面的影响。

值得一提的是,在机制上的进一步研究让团队有了另一重收获:找到了一个潜在的高温感受器TT3.1。原来,叶绿体作为植物光合作用细胞器易受热伤害,而过量表达TT3.1或敲除TT3.2可以保护叶绿体免受高温损伤,亦可在高温胁迫下维持叶绿体的光系统稳定性。

维持作物产量稳定

要是加上遗传材料构建的日子,这又是个“十年磨一剑”的科研故事。研究主要完成人之一、同时也是论文第一作者的张海博士为了这项突破,钻研了7年时光。本轮疫情,正好赶上论文的修改,小伙子索性在中心住了近3个月。同样因为疫情,科研人错过了常规的播种季,晚了快一个月才在松江农场种下了水稻材料。

图说:松江农场水稻材料

“TT3.1和TT3.2在多种作物中具有保守性,因此它们为作物抗高温育种提供了珍贵的基因资源,具有广泛应用前景和商业价值。”林鸿宣指出,“研究首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来,揭示了崭新的植物响应极端高温的分子机制。”

在中科院分子植物卓越中心主任、中科院院士韩斌眼里,林鸿宣是位高产的科学家,也是中心年轻课题组长的榜样。“他比别人思考更多,有人‘浅尝辄止’,而林鸿宣一定会弄通、弄透。”中心其他科研人员说,若林鸿宣蹲在农场的水稻试验田边,不熟悉的人几乎无法一眼分辨出哪位是院士,哪位是农民。

图说:林鸿宣院士在田间观察水稻性状表型

“民以食为天,食以安为先”,借助分子生物技术方法,将研究发掘的抗高温新基因TT3.1和TT3.2应用于水稻、小麦、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高温育种改良中,可提高不同作物品种的高温抗性,维持其在极端高温下的产量稳定性,对于有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题具有重要意义。

当然,林鸿宣和团队期待着,未来还有更多TT4、TT5会被找到,在抗热复杂性状分子遗传机制及调控网络被构建起,上海科学家有望开启作物抗热分子设计育种的大门。

新民晚报记者 郜阳 实习生 计丹洁



编辑:钱文婷

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