【上海科技】登上science！上海科学家找到首个潜在作物高温感受器为培育抗高温水稻开辟新途径
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2022-06-17 | 【】 【】
随着全球气候变暖趋势的加剧，高温胁迫成为制约世界粮食生产安全的最为主要的胁迫因子之一。据报道，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。
挖掘高温抗性基因资源、阐明高温抗性分子机制，以及培育抗高温作物新品种，成为科学家们关注的焦点之一。6月17日，一篇由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完成的论文，在国际顶级学术期刊《科学》发表，不仅首次揭示了一对拮抗基因调控水稻高温抗性的新机制，还挖掘出第一个潜在的作物高温感受器。
这一突破性成果的发现，包含着科研人员长达10年的辛苦努力和不懈坚持，将为抗高温农作物的培育开辟一条全新的道路。
尽管我国民间流传着“大暑无酷热，五谷多不结”的农业俗语，然而近些年来不断攀升的高温，却对水稻等农作物带来了新的威胁。“高温对水稻生长发育的各时期都有危害，尤其是开花结实期。”中科院院士林鸿宣对2013年夏季高温记忆犹新，原因是当年科研团队种植在松江农场的水稻结实率不到10%，“高温会减少水稻的总产量，更严重影响水稻灌浆，造成稻米品质下降”。
为了培育耐高温的水稻新品种，科学家们首先要弄清楚究竟有哪些基因和怎样的机制，影响着水稻在高温中的育性。这一次，上海科学家团队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，定位克隆到一个控制水稻高温抗性的基因位点tt3。
进一步的机制研究显示，在tt3中，起到调控高温抗性的基因有两个，分别是tt3.1和tt3.2。其中，tt3.1定位于细胞质膜上，tt3.2定位于叶绿体的类囊体膜上。
在高温胁迫下，tt3.2会在叶绿体内积累，从而破坏叶绿体的正常功能，造成水稻减产。但tt3.1“感受到”高温后，就会迅速“变身”，从细胞表面转移到多囊泡体中，通过招募并泛素化细胞质中的tt3.2叶绿体前体蛋白、开通多囊泡体-液泡途径降解等手段，减少进入叶绿体的成熟tt3.2蛋白数量，由此在高温中保护了叶绿体，从而提高水稻的高温抗性。
tt3.1与tt3.2的“角力”，展现出水稻等植物对于高温的一种精巧动态调控机制，也将植物细胞质膜和叶绿体之间的高温响应信号联系在一起。而tt3.1可能是一个潜在的高温感受器。
水稻新品系展现出更强耐热性
新机制的发现，意味着科学家们有机会培育出更耐热的水稻。通过转基因手段，研究人员过量表达tt3.1和敲除tt3.2，带来了在高温胁迫下增产2.5倍的惊人效果。
而在自然界中，非洲栽培稻比亚洲栽培稻具有更强的抗热性，tt3发挥了关键作用。林鸿宣用了一张有趣的图片说明了其中缘由：非洲稻的tt3.1战胜了tt3.2，保全了叶绿体；亚洲稻的tt3.1却败给了tt3.2，没能保住叶绿体。
通过多代杂交回交方法，研究人员把非洲稻的tt3基因位点导入到亚洲稻中，培育成了新的抗热品系，即近等基因系nil-tt3cg14。
这个新品系展现出了比亚洲稻更好的抗热性。在抽穗期和灌浆期的高温处理条件下，新品系的增产效果是亚洲稻的1倍左右，同时田间高温胁迫下的小区增产达到约20%。
此外，在正常田间条件下，tt3.1和tt3.2对产量性状没有负面的影响，并在多种作物中具有保守性，因此它们为作物抗高温育种提供了珍贵的基因资源，具有广泛应用前景和商业价值。
十年不懈探索铸就抗高温新作物之基
从数量众多的水稻基因中找到关键抗高温基因tt3，犹如大海捞针。这无疑是一项需要耐心和坚持的科研工作，在长达10年对于水稻抗高温性状的研究中，林鸿宣分别在2015年和今年年初挖掘出tt1和tt2抗高温基因的基础上，又挖掘出tt3新抗高温基因位点。
“水稻对于高温的感知，是由一系列复杂的基因调控。我们需要不断重复、不断验证。”论文第一作者、博士生张海原本应该5年的硕博连读时间，为了啃下这块硬骨头不得不又延续了2年，直到今年得以博士毕业。
“我们将继续在探索水稻抗热分子遗传机制的道路上走下去，tt4、tt5等更多抗高温基因，以及相关的调控网络，有待继续挖掘。”林鸿宣对未来充满期待，“在基础研究的成果上，我们可以借助分子生物技术方法将tt3.1、tt3.2应用于水稻、小麦、玉米、大豆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，从而有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题。”
作物遗传学家 林鸿宣院士
1994年获中国农业科学院博士学位，2009年当选中国科学院院士。
2001年至今任中科院分子植物科学卓越创新中心研究员。他长期面向农业发展重大战略需要，选择重大科学问题作为主攻方向，率先在水稻抗逆复杂性状（抗高温、抗旱、耐盐）、产量复杂性状基因挖掘及分子遗传调控机理研究领域取得了一系列有国际水平的突破性成果。首次成功分离克隆多个控制水稻性状的“重量级”新基因并阐明调控机制，不仅有重要理论创新，还有广泛应用前景，为作物分子育种提供多个基因专利（有18项发明专利）。发表63篇学术论文，其中作为通讯作者的相关研究论文发表在著名学术杂志science、nature genetics、nature cell biology、nature plants、nature communications、cell research、genes & development、plant cell和molecular plant等上。获国家自然科学奖二等奖、上海市自然科学奖一等奖、何梁何利奖、谈家桢生命科学成就奖、全国优博论文指导教师奖、全国五一劳动奖章、全国优秀科技工作者。
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