中科院分子植物卓越中心主任韓斌院士介紹,據(jù)研究表明平均溫度每升高1℃,會(huì)對(duì)水稻、小麥、玉米等糧食作物造成3%-8%左右的減產(chǎn),因此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是當(dāng)前亟待攻克的重大課題。一直以來(lái),通過(guò)正向遺傳學(xué)方法挖掘控制高溫抗性的數(shù)量性狀基因位點(diǎn)難度大、具有挑戰(zhàn)性。該中心的林鴻宣院士研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)7年(加上遺傳材料構(gòu)建,耗時(shí)近10年)的努力,終于成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT3,并且闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機(jī)制。這是研究團(tuán)隊(duì)繼TT1(NatureGenetics,2015)和TT2(NaturePlants,2022)之后,取得的又一重大進(jìn)展,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(jià)值,對(duì)有效應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題意義重大。

林鴻宣介紹,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)大規(guī)模水稻遺傳群體進(jìn)行交換個(gè)體篩選和耐熱表型鑒定,定位克隆到一個(gè)控制水稻高溫抗性的基因位點(diǎn)TT3,來(lái)自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位點(diǎn)相較于來(lái)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(gè)拮抗調(diào)控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2,研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)膜定位的TT3.1在高溫誘導(dǎo)下能夠發(fā)生其蛋白定位的改變,從細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移至多囊泡體中,招募并泛素化細(xì)胞質(zhì)中的TT3.2葉綠體前體蛋白、通過(guò)多囊泡體-液泡途徑降解,從而導(dǎo)致進(jìn)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(shí)現(xiàn)在高溫脅迫下對(duì)葉綠體的保護(hù),從而提高水稻的高溫抗性,這些結(jié)果表明TT3.1是一個(gè)潛在的高溫感受器,同時(shí)也闡明了葉綠體蛋白降解的新機(jī)制。該研究首次將植物細(xì)胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號(hào)聯(lián)系起來(lái),揭示了嶄新的植物響應(yīng)極端高溫的分子機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多代雜交回交方法把高溫抗性強(qiáng)的非洲栽培稻TT3基因位點(diǎn)導(dǎo)入到亞洲栽培稻中,培育成了新的抗熱品系即近等基因系NIL-TT3CG14,在抽穗期和灌漿期的高溫處理?xiàng)l件下,NIL-TT3CG14的增產(chǎn)效果是對(duì)照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右,同時(shí)田間高溫脅迫下的小區(qū)增產(chǎn)達(dá)到約20%。通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法進(jìn)一步驗(yàn)證表明,在高溫脅迫下過(guò)量表達(dá)TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來(lái)2.5倍以上的增產(chǎn)效果,而在正常田間條件下,它們對(duì)產(chǎn)量性狀沒(méi)有負(fù)面的影響。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,可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)定性。

中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生張海(與上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng))為論文第一作者,林鴻宣研究員和林尤舜副教授為本文共同作者。該中心博士生周基福、闞義、單軍祥和葉汪薇等參與了該項(xiàng)研究工作。這一研究得到國(guó)家基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、上海交大、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)廣東省實(shí)驗(yàn)室等資助。