发现水稻耐高温基因 为何对世界如此重要?

6月17日,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国际顶尖学术期刊《科学》上发表研究论文,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。   换句话说就是,中国研究团队发现了水稻耐高温的基因,这项研究对未来全球变暖下提高水稻的产量有积极作用。   高温下粮食增产技术有多么重要?   全球以大米为主食的人有35亿,加之气候变暖、地缘政治格局变动等因素,粮食安全问题近年来备受关注。在此背景下,解决方式当然是要增加粮食产量。但如何在全球变暖之际提高水稻的产量,就是一个问题。   政府间气候变化专门委员会(IPCC)多位专家预测,全球平均气温每升高1,会导致主要粮食作物减产19.7%,其中小麦减产6.0%,水稻减产3.2%,玉米减产7.4%,大豆减产3.1%。有研究预测,到2040年,平均气温将升高1.5-2.0,将使全球粮食减产30%-40%。与此同时,随着全球人口的持续增加,粮食需求也将倍增,这是所有人都需要应对的巨大挑战。   当前,气候变暖已成为一种难以阻遏的趋势。在这种情况下,要增加粮食产量,当然需要向科学问计。而找到能在高温下让粮食增产的技术和措施,显然具有特别重要的现实意义。   从这个角度看,上述研究人员找到了水稻耐受高温并能增产的基因,无疑为现在和未来增加水稻,以及其他粮食作物产量打下了坚实的基础。   “水稻高温下增产”已不止于理论   事实上,这样的研究早已不局限于概念和理论。研究团队发现,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。同时,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.   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,培育成了新的抗热品系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,同时在田间高温胁迫下的小区增产达到约20%。再利用转基因方法也验证了TT3.1和TT3.2的高温抗性效果。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。   这就意味着,克隆和转移TT3基因是让水稻在高温下增产的重要技术。如果这一技术能在未来推广,就像推广杂交稻一样,在全球变暖情况下,水稻增产或将成为一种现实而非理论。而且,这种技术已经经受了一系列验证。   让世界未来粮食安全更有胜算   从演化理论看,作物也需要对环境中的高温或严寒进行适应,从而演化出适应环境的不同应对机制。如水稻在应对高温方面,一方面可以通过主动应对来提高自身对于高温逆境适应性,及时清除高温下积累的毒性蛋白、活性氧等,以减少高温对于作物的损伤。另一方面,也可以通过被动方式来应对高温,如使自身钝感,减少热响应消耗,维持正常的生理活动,并且在热胁迫结束后能够快速复苏和重建,以提高热胁迫下的生存能力。   所有这些应对方式都会镌刻在作物基因中。同样是中国的上述研究团队在2015年就成功定位和克隆了水稻首例抗热的QTL位点TT1基因,之后又成功分离克隆了水稻抗热QTL位点TT2基因 。把TT2基因转移到新的品种华粳籼74中,相较于原来的华粳籼,苗期的成活率显著提高了8-10倍,同时也增强了成熟期的抗热能力和产量,在高温胁迫下单株产量增幅达54.7%,结实率增幅达82.1%。   从TT1到TT2,再到现在的TT3,研究人员发现、分离和克隆了越来越多的抗热QTL/基因,在小麦、玉米等作物中都有。同时也证明,这些基因都是通过主动应对的方式来提高作物的抗热能力,以适应高温逆境,从而提高产量,也减少对自身的伤害。因此,发现这种抗高温基因,也能让其他作物增产。   而且,借助分子生物技术方法将抗高温新基因TT3.1/TT3.2应用于水稻、小麦、玉米、大豆以及蔬菜等作物中,可以创造新品种。这不仅可以提高这些作物的高温抗性,增加和维持其在极端高温下的产量稳定性,更高层面去看,让全世界未来应对全球变暖及其他条件下的粮食安全也更有胜算。   发现和利用水稻的抗热基因,是抓住了现实和未来环境下粮食安全的核心解决方式。这既是把论文写于大地上的体现,也是科研应当解决社会迫切需求的响应。而正是得益于无数这样的科学研究,人类才会拥有一个更加美好的未来。

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