隨著全球氣候變暖趨勢(shì)加劇，高溫脅迫成為影響世界糧食安全的主要因素之一。有預(yù)測(cè)表明，至2040年，高溫將導(dǎo)致全球糧食減產(chǎn)30%~40%。

6月17日，中科院院士、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員林鴻宣團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)教授林尤舜團(tuán)隊(duì)合作，在《科學(xué)》發(fā)表論文，首次揭示在控制水稻數(shù)量性狀的基因位點(diǎn)（TT3）中，存在由兩個(gè)拮抗基因（TT3.1和TT3.2）組成的遺傳模塊。通過(guò)該模塊，可調(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)該研究發(fā)現(xiàn)第一個(gè)潛在的作物高溫感受器。相關(guān)研究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。

高溫影響糧食安全

研究表明，全球平均氣溫每升高1℃， 會(huì)導(dǎo)致主要糧食作物減產(chǎn)19.7%，其中小麥減產(chǎn)6.0%、水稻減產(chǎn)3.2%、玉米減產(chǎn)7.4%、大豆減產(chǎn)3.1%。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。

在我國(guó)華南、長(zhǎng)江中下游地區(qū)，每年七八月份氣溫達(dá)高峰時(shí)正好是水稻灌漿期，高溫天氣會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響。2013年，長(zhǎng)江下游地區(qū)持續(xù)10多天38℃高溫，林鴻宣團(tuán)隊(duì)在松江農(nóng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地栽種的水稻結(jié)實(shí)率不到10%。

“高溫對(duì)水稻產(chǎn)量影響非常大?！绷著櫺嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“高溫脅迫在水稻不同生長(zhǎng)期的影響不同，比如在灌漿期，高溫會(huì)使稻粒不飽滿，這不但導(dǎo)致減產(chǎn)，而且影響水稻外觀和口感，造成水稻品質(zhì)下降?！?/p>

作為一種長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，幾千年來(lái)，作物和高溫環(huán)境有個(gè)“臨界溫度”（耐受溫度）。比如，小麥的臨界溫度在26℃左右，玉米是38℃、水稻為34℃。

“當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到34℃以上，水稻產(chǎn)量受到的影響就比較大了。”林鴻宣說(shuō)，“全球氣溫不斷變暖，會(huì)對(duì)糧食安全造成很大隱患，所以我們要通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)方法，挖掘一些抗熱基因，打破作物的臨界溫度，提高作物抗熱性?！?/p>

“好蛋白”戰(zhàn)勝“壞蛋白”

植物在與高溫的長(zhǎng)期對(duì)抗中，會(huì)進(jìn)化出不同的應(yīng)對(duì)機(jī)制，一方面，植物可以通過(guò)提高自身對(duì)于高溫逆境的應(yīng)對(duì)能力，從而減少高溫帶來(lái)的損傷；另一方面，植物可以通過(guò)減少自身熱響應(yīng)消耗，維持正常的生理活動(dòng)，以提高熱脅迫下的生存能力。

“但高溫是個(gè)復(fù)雜的物理信號(hào)。同時(shí)，驗(yàn)證和重復(fù)抗熱表型、挑選抗熱基因是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，面臨巨大挑戰(zhàn)?！痹撜撐牡谝蛔髡?、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士張海說(shuō)。

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。這個(gè)來(lái)自非洲栽培稻的TT3基因位點(diǎn)，比來(lái)自亞洲栽培稻的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，這為揭示復(fù)雜數(shù)量性狀的分子調(diào)控機(jī)制提供了新視角。

為了解TT3的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值，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。

林鴻宣介紹說(shuō)，在抽穗期和灌漿期的高溫處理?xiàng)l件下，該基因系的增產(chǎn)效果相比對(duì)照品系提高了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TT3.1和TT3.2的高溫抗性效果，結(jié)果表明在高溫脅迫下，過(guò)量表達(dá)TT3.1或敲除TT3.2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。

對(duì)機(jī)制的進(jìn)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)下其蛋白定位發(fā)生改變，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(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。

“簡(jiǎn)單說(shuō)，TT3.2這個(gè)蛋白對(duì)植物來(lái)說(shuō)是個(gè)‘壞蛋白’，TT3.1是個(gè)‘好蛋白’，能在高溫下對(duì)葉綠體起到保護(hù)作用?！绷著櫺忉屨f(shuō)，“但TT3.1‘打不過(guò)’TT3.2，葉綠體被破壞，對(duì)熱敏感，而當(dāng)TT3.1‘戰(zhàn)勝’TT3.2時(shí)，保護(hù)葉綠體，抗熱性增強(qiáng)。通過(guò)兩個(gè)蛋白的相互作用，調(diào)控水稻的抗熱性，提高水稻產(chǎn)量。”

有望提高多種作物產(chǎn)量

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）曾對(duì)全球氣候變暖趨勢(shì)多次發(fā)出紅色預(yù)警，并明確了高溫脅迫對(duì)世界糧食生產(chǎn)安全的危害。據(jù)預(yù)測(cè)，至2040年，高溫將使全球糧食減產(chǎn)30%~40%。

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)用于多種作物的抗高溫育種改良中，能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。

2021年，該團(tuán)隊(duì)在松江農(nóng)場(chǎng)的大棚里，持續(xù)28天模擬38℃以上高溫環(huán)境。最后發(fā)現(xiàn)，在這樣的高溫環(huán)境下，帶有抗高溫新基因TT3的水稻和對(duì)照組相比增產(chǎn)20%。

“在生命科學(xué)領(lǐng)域，膜蛋白研究是塊‘硬骨頭’，林院士團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)7年的努力，加上遺傳材料構(gòu)建的時(shí)間耗時(shí)近10年，終于啃下這塊‘硬骨頭’。”中科院院士、中科院分子植物卓越中心主任韓斌評(píng)價(jià)說(shuō)，“TT3.1和TT3.2兩個(gè)基因是珍貴的育種資源，將來(lái)無(wú)論水稻、小麥、玉米、大豆、蔬菜等作物，都可以用它來(lái)培育抗高溫新品種，提高作物產(chǎn)量，所以它的推廣應(yīng)用效益非常大?！?/p>

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abo5721

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-06-20 第1版 要聞)

文章鏈接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/6/369907.shtm