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隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的加劇，高溫脅迫成為制約世界糧食生產(chǎn)安全的最為主要的因子之一，因此培育新的抗高溫作物品種成為當(dāng)前亟待攻克的重大世界課題。中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士研究團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)林尤舜研究團(tuán)隊(duì)合作，首次發(fā)現(xiàn)了在一個(gè)調(diào)控水稻數(shù)量性狀基因位點(diǎn)(TT3)中存在由兩個(gè)拮抗的基因(TT3.1和TT3.2)組成的遺傳模塊調(diào)控水稻高溫抗性和葉綠體蛋白降解新機(jī)制，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)潛在的作物高溫感受器。通過(guò)雜交回交方法把高溫抗性強(qiáng)的非洲栽培稻TT3基因位點(diǎn)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，在抽穗和灌漿期的田間高溫條件下，增產(chǎn)20%。這一重大科研成果，6月17日在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。這是記者6月16日，從中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心召開(kāi)的“水稻抗熱基因挖掘與機(jī)制研究新突破成果”新聞發(fā)布視頻會(huì)上獲悉的。

中科院分子植物卓越中心主任韓斌院士介紹，據(jù)研究表明平均溫度每升高1℃，會(huì)對(duì)水稻、小麥、玉米等糧食作物造成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(jī)制以及培育抗高溫作物新品種是當(dāng)前亟待攻克的重大課題。一直以來(lái)，通過(guò)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(diǎn)難度大、具有挑戰(zhàn)性。該中心的林鴻宣院士研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)7年(加上遺傳材料構(gòu)建，耗時(shí)近10年)的努力，終于成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT3，并且闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機(jī)制。這是研究團(tuán)隊(duì)繼TT1(NatureGenetics，2015)和TT2(NaturePlants，2022)之后，取得的又一重大進(jìn)展，為作物抗高溫育種提供了珍貴的基因資源，具有廣泛應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值，對(duì)有效應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題意義重大。

林鴻宣介紹，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)大規(guī)模水稻遺傳群體進(jìn)行交換個(gè)體篩選和耐熱表型鑒定，定位克隆到一個(gè)控制水稻高溫抗性的基因位點(diǎn)TT3，來(lái)自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位點(diǎn)相較于來(lái)自亞洲栽培稻(WYJ)的TT3基因位點(diǎn)具有更強(qiáng)的高溫抗性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)TT3基因位點(diǎn)中存在兩個(gè)拮抗調(diào)控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2，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(guò)多囊泡體-液泡途徑降解，從而導(dǎo)致進(jìn)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(shí)現(xiàn)在高溫脅迫下對(duì)葉綠體的保護(hù)，從而提高水稻的高溫抗性，這些結(jié)果表明TT3.1是一個(gè)潛在的高溫感受器，同時(shí)也闡明了葉綠體蛋白降解的新機(jī)制。該研究首次將植物細(xì)胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，揭示了嶄新的植物響應(yīng)極端高溫的分子機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多代雜交回交方法把高溫抗性強(qiáng)的非洲栽培稻TT3基因位點(diǎn)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?xiàng)l件下，NIL-TT3CG14的增產(chǎn)效果是對(duì)照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右，同時(shí)田間高溫脅迫下的小區(qū)增產(chǎn)達(dá)到約20%。通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法進(jìn)一步驗(yàn)證表明，在高溫脅迫下過(guò)量表達(dá)TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來(lái)2.5倍以上的增產(chǎn)效果，而在正常田間條件下，它們對(duì)產(chǎn)量性狀沒(méi)有負(fù)面的影響。由于TT3.1和TT3.2在多種作物中具有保守性，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，可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。

中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生張海(與上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng))為論文第一作者，林鴻宣研究員和林尤舜副教授為本文共同作者。該中心博士生周基福、闞義、單軍祥和葉汪薇等參與了該項(xiàng)研究工作。這一研究得到國(guó)家基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(B類(lèi))、上海交大、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)廣東省實(shí)驗(yàn)室等資助。

記者　鄭驚鴻