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              【科學網】啃下抗熱“硬骨頭” 糧食產量不用愁 科學家取得水稻抗高溫基因挖掘與機制研究新突破

              文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2022-06-17  |  【打印】 【關閉

                

                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的主要因素之一。有預測表明,至2040年,高溫將導致全球糧食減產30%~40%。

                6月17日,中科院院士、中科院分子植物科學卓越創新中心研究員林鴻宣團隊和上海交通大學教授林尤舜團隊合作,在《科學》發表論文,首次揭示在控制水稻數量性狀的基因位點(TT3)中,存在由兩個拮抗基因(TT3.1和TT3.2)組成的遺傳模塊。通過該模塊,可調控水稻高溫抗性的新機制和葉綠體蛋白降解新機制,同時該研究發現第一個潛在的作物高溫感受器。相關研究為作物抗高溫育種提供了珍貴的基因資源,具有廣泛應用前景和商業價值。

                高溫影響糧食安全

                研究表明,全球平均氣溫每升高1℃, 會導致主要糧食作物減產19.7%,其中小麥減產6.0%,水稻減產3.2%,玉米減產7.4%,大豆減產3.1%。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成為當前亟待攻克的重大課題。

                在我國華南、長江中下游地區,每年七八月份氣溫高峰正好是水稻灌漿期,如果遇到高溫天氣,會對產量產生較大影響。2013年,長江下游地區出現一次持續10多天的38℃高溫,林鴻宣團隊在松江農場實驗基地的水稻,結實率不到10%。

                “高溫對水稻產量影響非常大?!绷著櫺嬖V《中國科學報》,“水稻不同生長期,高溫脅迫對水稻的影響不同,比如在灌漿期,高溫會使稻粒不飽滿,不但導致減產,還影響水稻外觀和口感,造成水稻品質下降?!?/p>

                作為一種長期環境適應機制,幾千年來,作物和高溫環境有個“臨界溫度”(耐受溫度)。比如,小麥的臨界溫度在26℃左右,玉米是38℃,水稻為34℃。

                “當環境溫度達到34℃以上,對水稻產量的影響就比較大了?!绷著櫺f,“全球氣溫不斷變暖,會對糧食安全造成很大隱患,所以我們要通過現代生物技術方法,挖掘一些抗熱基因,打破作物的臨界溫度,提高作物抗熱性?!?/p>

                “好蛋白”戰勝“壞蛋白”

                植物與高溫的長期對抗中,會進化出不同的應對機制,一方面,植物可以通過提高自身對于高溫逆境的應對能力,從而減少高溫對植物體本身的損傷;另一方面,植物也可以通過減少自身熱響應消耗,維持正常的生理活動,以提高熱脅迫下的生存能力。

                “但高溫是個復雜的物理信號。同時,驗證和重復抗熱表型,挑選抗熱基因是個漫長的過程,也面臨巨大挑戰?!痹撜撐牡谝蛔髡?、中科院分子植物科學卓越創新中心(上??萍即髮W聯合培養)博士張海說。

                研究團隊通過對大規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。這個來自非洲栽培稻的TT3基因位點,比來自亞洲栽培稻的TT3基因位點具有更強的高溫抗性。進一步研究發現,TT3基因位點中存在兩個拮抗調控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2,這為揭示復雜數量性狀的分子調控機制提供了新的視角。

                為了解TT3的生產應用價值,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基因位點導入到亞洲栽培稻中,培育成了新的抗熱品系即近等基因系。

                林鴻宣介紹說,在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下,該基因系的增產效果是對照品系的1倍左右,同時田間高溫脅迫下的小區增產達到約20%。通過轉基因方法進一步驗證TT3.1和TT3.2的高溫抗性效果,結果表明在高溫脅迫下,過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產效果。而在正常田間條件下,它們對產量性狀沒有負面的影響。

                在機制上的進一步研究發現,細胞質膜定位的TT3.1在高溫誘導下能夠發生其蛋白定位的改變,從細胞表面轉移至多囊泡體中,招募并泛素化細胞質中的TT3.2葉綠體前體蛋白、通過多囊泡體—液泡途徑降解,從而導致進入葉綠體的成熟態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。

                這些結果表明TT3.1可能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。該研究發現的TT3.1-TT3.2遺傳模塊首次將植物細胞質膜與葉綠體之間的高溫響應信號聯系起來,揭示了嶄新的植物響應極端高溫的分子機制。

                “簡單說,TT3.2這個蛋白對植物來說是個‘壞蛋白’,TT3.1是個‘好蛋白’,能在高溫下對葉綠體起到保護作用?!绷著櫺忉屨f,“但TT3.1‘打不過’TT3.2,葉綠體被破壞,對熱敏感,而當TT3.1‘戰勝’TT3.2時,保護葉綠體,抗熱性增強,通過兩個蛋白的相互作用,調控水稻的抗熱性,提高水稻產量?!?/p>

                有望提高多種作物產量

                政府間氣候變化專門委員會(IPCC)曾對全球氣候變暖趨勢發出多次紅色預警,并明確了高溫脅迫對世界糧食生產安全的危害。據預測,至2040年,高溫將使全球糧食減產30%~40%。

                借助分子生物技術方法,將該研究發掘的抗高溫新基因TT3.1/TT3.2應用于多種作物的抗高溫育種改良中,能提高不同作物品種的高溫抗性,維持其在極端高溫下的產量穩定。

                2021年,該團隊在松江農場的大棚里,在持續28天時間里,模擬出38℃以上高溫環境。最后發現,在這樣的高溫環境下,帶有抗高溫新基因TT3的水稻和對照組相比增產20%。

                “在生命科學領域來說,膜蛋白研究是塊‘硬骨頭’,林院士團隊經過7年(加上遺傳材料構建,耗時近10年)的努力,終于啃下這塊‘硬骨頭’?!敝锌圃涸菏?、中科院分子植物卓越中心主任韓斌評價說,“TT3.1和TT3.2兩個基因是珍貴的育種資源,將來無論水稻、小麥、玉米、大豆、蔬菜等作物,都可以用它來培育抗高溫新品種,提高作物產量,所以它的推廣應用效益將非常大?!?/p>

                相關論文信息:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5721

                文章鏈接:https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/6/481012.shtm

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