全球氣候變暖趨勢加劇，高溫脅迫成為制約世界糧食生產(chǎn)安全的主要脅迫因子之一。據(jù)報(bào)道，平均氣溫每升高1℃，會(huì)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(jī)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。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(diǎn)難度大、具有挑戰(zhàn)性。

多年來，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)一直在潛心攻關(guān)這一難題。6月17日，林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)林尤舜研究團(tuán)隊(duì)合作在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表論文《一個(gè)基因座位上的遺傳模塊保護(hù)葉綠體增強(qiáng)水稻抗熱性》。該研究成果不僅首次揭示了在一個(gè)控制水稻數(shù)量性狀的基因位點(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)控水稻高溫抗性的新機(jī)制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。

據(jù)介紹，該研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)近10年，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)繼成功發(fā)掘水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT1 和TT2之后，取得的又一重大進(jìn)展。

林鴻宣院士介紹，通過對大規(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。來自非洲栽培稻的TT3基因位點(diǎn)相較于來自亞洲栽培稻的TT3基因位點(diǎn)具有更強(qiáng)的高溫抗性。通過進(jìn)一步的研究發(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，這為揭示復(fù)雜數(shù)量性狀的分子調(diào)控機(jī)制提供了新的視角。

研究團(tuán)隊(duì)通過轉(zhuǎn)基因方法進(jìn)一步驗(yàn)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(dá)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(jià)值。

研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)制上的研究發(fā)現(xiàn)，TT3.1可能是一個(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(jī)制。

據(jù)預(yù)測，到2040年，高溫將使全球糧食減產(chǎn)30%—40%。同時(shí)，隨著人口持續(xù)增加，糧食需求也將倍增，對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展勢必帶來巨大挑戰(zhàn)。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。

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