中国科学家在水稻抗高温基因挖掘与机制研究上取得新突破

国际在线报道(记者朱宛玲):随着全球气候变暖趋势加剧,高温成为世界粮食安全的主要威胁之一。数据显示,平均气温每升高1℃,会造成水稻、小麦、玉米等粮食作物3%-8%左右的减产。在此背景下,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的作物新品种,成为当前科学界亟待攻克的重大课题。

中国科学家6月17日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表的一篇研究论文,揭示了水稻抗高温基因挖掘与机制研究上取得的新突破。这项新突破是什么?将对我们应对气候变暖对水稻产量的影响起到什么样的作用?

一直以来,通过正向遗传学方法挖掘控制高温抗性的数量性状基因位点难度大、具有挑战性。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的一项研究发现了水稻抗高温新基因及其调控水稻高温抗性的新机制。

林鸿宣介绍说,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,研究团队定位克隆到一个正向调控水稻高温抗性的基因位点TT3;通过进一步的研究,发现TT3基因位点中存在两个拮抗调节水稻高温抗性的基因TT3.1和TT3.2,这为揭示复杂数量性状的分子调控机制提供了新的视角。“我们从非洲稻挖掘出来一个控制水稻抗热性的新基因TT3,TT3位点上有两个基因,这是首次发现一个基因位点由两个基因组成遗传模块——这两个基因是拮抗关系,组建模块来调控水稻抗热性。这在植物领域是个全新的抗热机制。”

此外,这项研究的突破还在于,首次发现了潜在的作物高温感受器,并阐明了叶绿体蛋白降解新机制,“TT3.1就像一个高温感受器一样,能够感知信号从细胞表面转移到多囊泡里面,招募并泛素化细胞质中的TT3.2叶绿体前体蛋白,通过多囊泡体-液泡途径降解,这样进入叶绿体的成熟态TT3.2蛋白的量减少,减轻TT3.2 积累所造成的叶绿体损伤,提高水稻的高温抗性。”

研究发现,来自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位点相较于来自亚洲栽培稻(WYJ)的TT3基因位点具有更强的高温抗性。研究团队通过杂交回交方法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。林鸿宣介绍说:“这个新品种株型很像亚洲稻,产量没有降低,在高温天气下抗热性显著增加。所以我们育种就可以用武运粳(WYJ)带有非洲稻这个位点的新品种,跟其他的推广品种杂交,会很快改良各种水稻的品种,提高水稻的抗热性。”

此外,在生产应用方面,还可借助分子生物技术方法将该研究发掘的抗高温新基因TT3.1/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,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。