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精彩看点:我国科学家揭示水稻抗高温基因

2022-06-20 05:56:37 光明日报


(资料图片仅供参考)

随着全球气候变暖趋势加剧,高温胁迫成为制约世界粮食生产安全的最主要因素之一。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,成为亟待攻克的重大课题。记者获悉,中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队与上海交通大学林尤舜研究团队合作在这一领域取得新突破。相关成果17日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。

该成果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,用来调控其高温抗性。这为揭示复杂数量性状的分子调控机制提供了新视角。研究还揭示了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。这将应用于抗高温育种改良当中,以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。

自2005年以来,林鸿宣带领团队成功分离克隆多个控制水稻性状的“重量级”新基因。此次,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,研究团队定位克隆到一个控制水稻高温抗性的基因位点TT3。为此,研究团队付出7年的努力,加上遗传材料构建,耗时近10年。

研究发现,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。为了解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,培育成新的抗热品系。在抽穗期和灌浆期的高温处理条件下,新的抗热品系增产效果明显。

通过转基因方法进一步验证,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影响。这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。

研究还注意到,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,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。这表明,TT3.1可能是一个潜在的高温感受器。该研究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。

据预测,至2040年,高温将使全球粮食减产30%~40%。随着人口持续增加,粮食需求将倍增,势必对未来农业发展带来巨大挑战。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,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。

(责编:李依环、何淼)
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