隨著全球氣候變暖趨勢加劇，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卓越創(chuàng)新中心研究員林鴻宣團隊和上海交通大學教授林尤舜團隊合作，在《科學》發(fā)表論文，首次揭示在控制水稻數(shù)量性狀的基因位點（TT3）中，存在由兩個拮抗基因（TT3.1和TT3.2）組成的遺傳模塊。通過該模塊，可調(diào)控水稻高溫抗性的新機制和葉綠體蛋白降解新機制。同時該研究發(fā)現(xiàn)第一個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)價值。

高溫影響糧食安全

研究表明，全球平均氣溫每升高1℃， 會導(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制以及培育抗高溫作物新品種成為當前亟待攻克的重大課題。

在我國華南、長江中下游地區(qū)，每年七八月份氣溫達高峰時正好是水稻灌漿期，高溫天氣會對產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響。2013年，長江下游地區(qū)持續(xù)10多天38℃高溫，林鴻宣團隊在松江農(nóng)場實驗基地栽種的水稻結(jié)實率不到10%。

“高溫對水稻產(chǎn)量影響非常大。”林鴻宣告訴《中國科學報》，“高溫脅迫在水稻不同生長期的影響不同，比如在灌漿期，高溫會使稻粒不飽滿，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。”

作為一種長期環(huán)境適應(yīng)機制，幾千年來，作物和高溫環(huán)境有個“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℃。

“當環(huán)境溫度達到34℃以上，水稻產(chǎn)量受到的影響就比較大了?！绷著櫺f，“全球氣溫不斷變暖，會對糧食安全造成很大隱患，所以我們要通過現(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”

植物在與高溫的長期對抗中，會進化出不同的應(yīng)對機制，一方面，植物可以通過提高自身對于高溫逆境的應(yīng)對能力，從而減少高溫帶來的損傷；另一方面，植物可以通過減少自身熱響應(yīng)消耗，維持正常的生理活動，以提高熱脅迫下的生存能力。

“但高溫是個復(fù)雜的物理信號。同時，驗證和重復(fù)抗熱表型、挑選抗熱基因是個漫長的過程，面臨巨大挑戰(zhàn)?！痹撜撐牡谝蛔髡?、中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心博士張海說。

研究團隊通過對大規(guī)模水稻遺傳群體進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TT3。這個來自非洲栽培稻的TT3基因位點，比來自亞洲栽培稻的TT3基因位點具有更強的高溫抗性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，TT3基因位點中存在兩個拮抗調(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)控機制提供了新視角。

為了解TT3的生產(chǎn)應(yīng)用價值，研究團隊通過多代雜交回交方法把高溫抗性強的非洲栽培稻TT3基因位點導(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，在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下，該基因系的增產(chǎn)效果相比對照品系提高了1倍左右，同時田間高溫脅迫下的小區(qū)增產(chǎn)達到約20%。通過轉(zhuǎn)基因方法進一步驗證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TT3.1或敲除TT3.2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)量性狀沒有負面的影響。

對機制的進一步研究發(fā)現(xiàn)，細胞質(zhì)膜定位的TT3.1在高溫誘導(dǎo)下其蛋白定位發(fā)生改變，從細胞表面轉(zhuǎn)移至多囊泡體中，招募并泛素化細胞質(zhì)中的TT3.2葉綠體前體蛋白，通過多囊泡體—液泡途徑降解，從而導(dǎo)致進入葉綠體的成熟態(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，實現(xiàn)在高溫脅迫下對葉綠體的保護，從而提高水稻的高溫抗性。

這些結(jié)果表明TT3.1可能是一個潛在的高溫感受器，同時也闡明了葉綠體蛋白降解的新機制。該研究發(fā)現(xiàn)的TT3.1-TT3.2遺傳模塊首次將植物細胞質(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)極端高溫的分子機制。

“簡單說，TT3.2這個蛋白對植物來說是個‘壞蛋白’，TT3.1是個‘好蛋白’，能在高溫下對葉綠體起到保護作用?！绷著櫺忉屨f，“但TT3.1‘打不過’TT3.2，葉綠體被破壞，對熱敏感，而當TT3.1‘戰(zhàn)勝’TT3.2時，保護葉綠體，抗熱性增強。通過兩個蛋白的相互作用，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)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）曾對全球氣候變暖趨勢多次發(fā)出紅色預(yù)警，并明確了高溫脅迫對世界糧食生產(chǎn)安全的危害。據(jù)預(yù)測，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，該團隊在松江農(nóng)場的大棚里，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的水稻和對照組相比增產(chǎn)20%。

“在生命科學領(lǐng)域，膜蛋白研究是塊‘硬骨頭’，林院士團隊經(jīng)過7年的努力，加上遺傳材料構(gòu)建的時間耗時近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價說，“TT3.1和TT3.2兩個基因是珍貴的育種資源，將來無論水稻、小麥、玉米、大豆、蔬菜等作物，都可以用它來培育抗高溫新品種，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

《中國科學報》 (2022-06-20 第1版 要聞)

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