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新基因讓水稻從此不“怕熱”
作者：張雙虎 黃辛 來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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近日，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士研究組成功分離克隆了水稻抗熱新基因QTL TT2。相關(guān)研究已在《自然—植物》上發(fā)表。
全球氣候變暖成為威脅世界糧食安全的一大重要問題。研究表明，年平均溫度每升高1℃，會(huì)造成水稻、小麥、玉米等糧食作物減產(chǎn)3%至8%。
植物在與高溫的長(zhǎng)期對(duì)抗中，進(jìn)化出不同的應(yīng)對(duì)機(jī)制：一方面，植物可以通過“積極應(yīng)對(duì)”來提高自身對(duì)于高溫逆境的應(yīng)對(duì)能力，比如，及時(shí)清除高溫下積累的毒性蛋白、活性氧等，從而減少高溫對(duì)植物體本身的損傷；另一方面，植物也可以通過“以靜制動(dòng)”的方式，減少自身熱響應(yīng)消耗，維持正常的生理活動(dòng)，并且在熱脅迫結(jié)束后快速“災(zāi)后重建”，以提高熱脅迫下的生存能力。
“因此，通過遺傳學(xué)手段，挖掘抗熱自然基因位點(diǎn)并對(duì)其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究，對(duì)作物抗熱遺傳改良具有重要意義�！痹撜撐牡谝蛔髡摺⒎肿又参锟茖W(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后闞義對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，“但自然基因位點(diǎn)定位難度較大，尤其是定位與抗熱等復(fù)雜性狀相關(guān)的位點(diǎn)挑戰(zhàn)更大�！�
2015年，林鴻宣研究組成功定位克隆了水稻首例抗熱的QTL位點(diǎn)TT1。在此后的研究中，他們又獲得一個(gè)來自熱帶粳稻的抗熱QTL位點(diǎn)TT2。通過回交，研究人員成功將其導(dǎo)入廣東優(yōu)質(zhì)稻品種——“華粳秈74”中，從而培育出攜帶抗熱性位點(diǎn)的新抗熱品系。相較于回交親本華粳秈74，該品系在苗期的成活率提高了8至10倍，同時(shí)該位點(diǎn)的導(dǎo)入也增強(qiáng)了成熟期的抗熱能力，主要表現(xiàn)為高溫脅迫下單株產(chǎn)量增幅達(dá)54.7%。
闞義介紹說，TT2基因位點(diǎn)在各類作物中廣泛存在，并高度保守，例如，在小麥中有75.6%的同源度、玉米中有53.7%的同源度，因此該抗熱基因在抗熱作物的遺傳改良和應(yīng)用中前景廣泛。
目前，越來越多的抗熱QTL/基因被挖掘、分離克隆，但這些位點(diǎn)幾乎都是通過“積極應(yīng)對(duì)”的方式來提高水稻的抗熱能力。在高溫脅迫下，植物光合作用受阻，能量處于高度匱乏狀態(tài)，一旦調(diào)用有限的能量來“積極應(yīng)對(duì)”，無論是通過毒性蛋白的清除還是活性氧的清除，勢(shì)必會(huì)帶來能量的消耗，造成“能量懲罰”，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低�！耙造o制動(dòng)”的方式同樣為植物抵御高溫提供了一個(gè)新策略，通過降低熱響應(yīng)，使植物處于鈍感狀態(tài)，減少能量損耗，維持基本生命活動(dòng)，待高溫結(jié)束后可以快速重建恢復(fù)。
“來自于熱帶粳稻的TT2基因位點(diǎn)，就是通過‘以靜制動(dòng)’的方式賦予水稻抗熱的能力�！标R義補(bǔ)充說，“此外，作為負(fù)向調(diào)控抗熱的自然位點(diǎn)，TT2在育種應(yīng)用上更便捷，既可以通過雜交導(dǎo)入水稻品種中，也可以在小麥、玉米等作物中通過定向基因敲除，獲得抗熱品系，從而大大縮短育種周期�！�
“TT2是一份作物抗熱育種的珍貴基因資源，對(duì)未來作物借助分子設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)定向的抗熱遺傳改良具有重要意義�！绷著櫺�說。
論文評(píng)審中，3位審稿人均對(duì)該工作給以高度評(píng)價(jià)。《自然—植物》雜志同期在線發(fā)表了由荷蘭瓦格寧根大學(xué)Scott Hayes博士撰寫的評(píng)論文章，對(duì)該成果進(jìn)行了評(píng)論與展望，稱其是“抗熱研究領(lǐng)域的一大重要進(jìn)展”，并指出所發(fā)現(xiàn)的基因“為植物育種和基因編輯提供了令人興奮的潛在靶標(biāo)，有助于人們應(yīng)對(duì)在快速變暖的地球上出現(xiàn)的糧食安全問題”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-01039-0