■本報記者 許琦敏
平均氣溫每升高1℃，水稻、小麥、玉米等糧食作物就會減產(chǎn)約3%-8%。面對氣候變暖帶來的高溫脅迫，中國科學(xué)家歷經(jīng)近十年研究，首次揭示了調(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，同時發(fā)現(xiàn)了第一個潛在的作物高溫感受器。國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》日前發(fā)表了該研究成果。利用這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家已經(jīng)培育出了水稻新品種，在超過38℃的高溫下，大田中的耐熱水稻品種產(chǎn)量較對照品種增加了20%。
這一研究成果由中科院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣與上海交通大學(xué)林尤舜的研究團(tuán)隊(duì)合作完成。從構(gòu)建遺傳材料，到分離克隆基因，研究團(tuán)隊(duì)耗時近十年，終于找到了水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT3，并闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機(jī)制。
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最主要的脅迫因子之一。據(jù)預(yù)測，至2040年，高溫將使全球糧食減產(chǎn)30%-40%。因此，挖掘高溫抗性基因資源、闡明高溫抗性分子機(jī)制、培育抗高溫作物新品種成為當(dāng)前亟待攻克的重大課題。
研究團(tuán)隊(duì)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。這個來自非洲栽培稻(CG14)的基因位點(diǎn)，相較于來自亞洲栽培稻(WYJ)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)中存在兩個拮抗調(diào)控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2。在高溫脅迫下，TT3.1能夠從細(xì)胞表面進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的多囊泡體中，招募TT3.2葉綠體前體蛋白進(jìn)行降解，使成熟態(tài)TT3.2不會過多在葉綠體內(nèi)積累，以保護(hù)葉綠體不受損傷，從而提高水稻的高溫抗性。因此，過量表達(dá)TT3.1或敲除TT3.2，能夠帶來2.5倍以上的增產(chǎn)效果。
由于TT3.1和TT3.2在多種作物中具有保守性，借助分子生物技術(shù)方法，可將該研究發(fā)掘的抗高溫新基因應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高溫育種改良中，對有效應(yīng)對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題具有重要意義。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已把高溫抗性強(qiáng)的非洲栽培稻TT3基因位點(diǎn)導(dǎo)入到亞洲栽培稻中，培育出了新的抗熱品系。在抽穗期和灌漿期，經(jīng)過38℃的高溫脅迫處理，抗熱新品系的增產(chǎn)效果是對照品系的一倍左右，同時田間高溫脅迫下的種植區(qū)域增產(chǎn)達(dá)到約20%。