科技日报记者 王春
“民以食为天，食以安为先”，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。因此，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当前亟待攻克的重大课题。
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，在研究中发现调控水稻高温抗性的新机制，这项成果不仅首次揭示了在一个控制水稻数量性状的基因位点（TT3）中存在由两个拮抗的基因（TT3.1和TT3.2）组成的遗传模块调控水稻高温抗性的新机制和叶绿体蛋白降解新机制，同时发现了第一个潜在的作物高温感受器。该研究成果于6月17日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。
林鸿宣院士在田间观察水稻生长情况。中科院分子植物科学卓越创新中心供图
一直以来，通过正向遗传学方法挖掘控制高温抗性的数量性状基因位点难度大、具有挑战性。研究团队经过近十年的努力，终于成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3，并且阐明了其调控高温抗性的新机制。
研究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。来自非洲栽培稻（CG14）的TT3基因位点相较于来自亚洲栽培稻（WYJ）的TT3基因位点具有更强的高温抗性。通过进一步的研究发现TT3基因位点中存在两个拮抗调控水稻高温抗性的基因TT3.1和TT3.2，这为揭示复杂数量性状的分子调控机制提供了新的视角。
为了了解TT3的生产应用价值，研究团队通过多代杂交回交方法把高温抗性强的非洲栽培稻TT3基因位点导入到亚洲栽培稻中，培育成了新的抗热品系即近等基因系NIL-TT3CG14。
在抽穗期和灌浆期的高温处理条件下，NIL-TT3CG14的增产效果是对照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右，同时田间高温胁迫下的小区增产达到约20%。通过转基因方法进一步验证TT3.1和TT3.2的高温抗性效果，结果表明在高温胁迫下，过量表达TT3.1或敲除TT3.2也能够带来2.5倍以上的增产效果。
而在正常田间条件下，它们对产量性状没有负面的影响。此外，由于TT3.1和TT3.2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。
在机制上，进一步研究发现细胞质膜定位的TT3.1在高温诱导下能够发生其蛋白定位的改变，从细胞表面转移至多囊泡体中，招募并泛素化细胞质中的TT3.2叶绿体前体蛋白、通过多囊泡体-液泡途径降解，从而导致进入叶绿体的成熟态TT3.2蛋白的量减少，减轻在热胁迫下 TT3.2 积累所造成的叶绿体损伤，实现在高温胁迫下对叶绿体的保护，从而提高水稻的高温抗性。
遗传模块调控抗热与产量平衡的分子机理。中科院分子植物科学卓越创新中心供图
这些结果表明TT3.1可能是一个潜在的高温感受器，同时也阐明了叶绿体蛋白降解的新机制。该研究发现的TT3.1-TT3.2遗传模块首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来，揭示了崭新的植物响应极端高温的分子机制。
借助分子生物技术方法将该研究发掘的抗高温新基因TT3.1/TT3.2应用于水稻、小麦、玉米、大豆以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，维持其在极端高温下的产量稳定性，对于有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题具有重要意义。
中科院分子植物科学卓越创新中心博士生张海（上海科技大学联合培养）为本文第一作者，林鸿宣院士和林尤舜副教授为本文共同通讯作者。该研究工作得到国家基金委基础科学中心项目、中科院先导科技专项（B类）、上海交大、岭南现代农业广东省实验室等的资助。
