隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，高溫脅迫成為制約世界糧食生產(chǎn)安全的最為主要的脅迫因子之一。據(jù)報道，平均氣溫每升高1℃，會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物3%—8%左右的減產(chǎn)。

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，成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。6月17日，一篇由中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣研究團(tuán)隊和上海交通大學(xué)林尤舜研究團(tuán)隊合作完成的論文，在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表，不僅首次揭示了一對拮抗基因調(diào)控水稻高溫抗性的新機(jī)制，還挖掘出第一個潛在的作物高溫感受器。這一突破性成果的發(fā)現(xiàn)，包含著科研人員長達(dá)10年的辛苦努力和不懈堅持，將為抗高溫農(nóng)作物的培育開辟一條全新的道路。

兩個基因的高溫抗性“角力”

盡管我國民間流傳著“大暑無酷熱，五谷多不結(jié)”的農(nóng)業(yè)俗語，然而近些年來不斷攀升的高溫，卻對水稻等農(nóng)作物帶來了新的威脅?！案邷貙λ旧L發(fā)育的各時期都有危害，尤其是開花結(jié)實(shí)期。”中科院院士林鴻宣對2013年夏季高溫記憶猶新，原因是當(dāng)年科研團(tuán)隊種植在松江農(nóng)場的水稻結(jié)實(shí)率不到10%。高溫會減少水稻的總產(chǎn)量，更嚴(yán)重影響水稻灌漿，造成稻米品質(zhì)下降。

為了培育耐高溫的水稻新品種，科學(xué)家們首先要弄清楚究竟有哪些基因和怎樣的機(jī)制，影響著水稻在高溫中的育性。這一次，上?？茖W(xué)家團(tuán)隊通過對大規(guī)模水稻遺傳群體進(jìn)行交換個體篩選和耐熱表型鑒定，定位克隆到一個控制水稻高溫抗性的基因位點(diǎn)TT3。

進(jìn)一步的機(jī)制研究顯示，在TT3中，起到調(diào)控高溫抗性的基因有2個，分別是TT3.1和TT3.2。其中，TT3.1定位于細(xì)胞質(zhì)膜上、TT3.2定位于葉綠體的類囊體膜上。

在高溫脅迫下，TT3.2會在葉綠體內(nèi)積累，從而破壞葉綠體的正常功能，造成水稻減產(chǎn)。但TT3.1“感受到”高溫后，就會迅速“變身”，從細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移到多囊泡體中，通過招募并泛素化細(xì)胞質(zhì)中的TT3.2葉綠體前體蛋白、開通多囊泡體—液泡途徑降解等手段，減少進(jìn)入葉綠體的成熟TT3.2蛋白數(shù)量，由此在高溫中保護(hù)了葉綠體，從而提高水稻的高溫抗性。

TT3.1與TT3.2的“角力”，展現(xiàn)出水稻等植物對于高溫的一種精巧動態(tài)調(diào)控機(jī)制，也將植物細(xì)胞質(zhì)膜和葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號聯(lián)系在一起。而TT3.1可能是一個潛在的高溫感受器。

水稻新品系展現(xiàn)出更強(qiáng)耐熱性

新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，意味著科學(xué)家們有機(jī)會培育出更耐熱的水稻。通過轉(zhuǎn)基因手段，研究人員過量表達(dá)TT3.1和敲除TT3.2，帶來了在高溫脅迫下增產(chǎn)2.5倍的驚人效果。

而在自然界中，非洲栽培稻比亞洲栽培稻具有更強(qiáng)的抗熱性，TT3發(fā)揮了關(guān)鍵作用。林鴻宣用了一張有趣的圖片說明了其中緣由：非洲稻的TT3.1戰(zhàn)勝了TT3.2，保全了葉綠體；亞洲稻的TT3.1卻敗給了TT3.2，沒能保住葉綠體。

通過多代雜交回交方法，研究人員把非洲稻的TT3基因位點(diǎn)導(dǎo)入到亞洲稻中，培育成了新的抗熱品系，即近等基因系NIL-TT3CG14。

這個新品系展現(xiàn)出了比亞洲稻更好的抗熱性。在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下，新品系的增產(chǎn)效果是亞洲稻的1倍左右，同時田間高溫脅迫下的小區(qū)增產(chǎn)達(dá)到約20%。

此外，在正常田間條件下，TT3.1和TT3.2對產(chǎn)量性狀沒有負(fù)面的影響，并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)價值。

十年不懈探索鑄就抗高溫新作物之基

從數(shù)量眾多的水稻基因中找到關(guān)鍵抗高溫基因TT3，猶如大海撈針，這無疑是一項需要耐心和堅持的科研工作。在長達(dá)10年對于水稻抗高溫性狀的研究中，林鴻宣分別在2015年和今年年初挖掘出TT1和TT2抗高溫基因的基礎(chǔ)上，又挖掘出TT3新抗高溫基因位點(diǎn)。

“水稻對于高溫的感知，是由一系列復(fù)雜的基因調(diào)控。我們需要不斷重復(fù)、不斷驗證?！闭撐牡谝蛔髡?、博士生張海原本應(yīng)該5年的碩博連讀時間，為了啃下這塊硬骨頭不得不又延續(xù)了2年，直到今年得以博士畢業(yè)。

“我們將繼續(xù)在探索水稻抗熱分子遺傳機(jī)制的道路上走下去，TT4、TT5等更多抗高溫基因，以及相關(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，有待繼續(xù)挖掘。”林鴻宣對未來充滿期待，“在基礎(chǔ)研究的成果上，我們可以借助分子生物技術(shù)方法將TT3.1、TT3.2應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆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，從而有效應(yīng)對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題?！?/p>

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