責(zé)任編輯:左彬彬 來源:農(nóng)民日報 日期:2022-06-20
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℃,會對水稻、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,通過正向遺傳學(xué)方法挖掘控制高溫抗性的數(shù)量性狀基因位點難度大、具有挑戰(zhàn)性。該中心的林鴻宣院士研究團隊經(jīng)過7年(加上遺傳材料構(gòu)建,耗時近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TT3,并且闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機制。這是研究團隊繼TT1(NatureGenetics,2015)和TT2(NaturePlants,2022)之后,取得的又一重大進展,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)價值,對有效應(yīng)對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題意義重大。
林鴻宣介紹,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,來自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位點相較于來自亞洲栽培稻(WYJ)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,研究發(fā)現(xiàn)細胞質(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。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NIL-TT3CG14,在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下,NIL-TT3CG14的增產(chǎn)效果是對照品系NIL-TT3WYJ的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表明,在高溫脅迫下過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來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。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研究工作。這一研究得到國家基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中科院先導(dǎo)科技專項(B類)、上海交大、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)廣東省實驗室等資助。
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