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中科院专家培育“抗热水稻”应对全球气候变暖

发表时间:2022-2-25 11:47:04  热度:

 来源:中国青年报客户端

日前,中科院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究员团队以题为“TT2 controls rice thermotolerance through SCT1-dependent alteration of wax biosynthesis”(T2通过依赖于SCT1的蜡生物合成改变来控制水稻的耐热性)在《Nature Plants》期刊上发表。该研究把来自热带粳稻的抗热QTL位点TT2,通过回交,成功将其导入广东优质稻品种华粳籼74中,从而培育成了新的抗热品系。

全球气候变暖如今已经成为威胁世界粮食安全的一大重要问题,据报道,年平均温度每升高1℃,将会对水稻、小麦、玉米等粮食作物带来3%至8%左右的减产。


面对全球气候变暖,植物本身也在想办法、动脑筋。在与高温的长期对抗中,植物进化出了不同的应对机制:一方面,植物可以通过“积极应对”来提高自身对于高温逆境的应对能力,比如及时清除高温下积累的毒性蛋白、活性氧等,从而减少高温对于植物体本身的损伤;另一方面,植物也可以通过“以静制动”的方式,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“灾后重建”,以提高热胁迫下的生存能力。

因此,通过遗传学手段,挖掘“抗热自然基因位点”并对其调控机制进行深入研究,对于作物抗热遗传改良具有重要意义。然而,自然基因位点的定位难度较大,尤其是定位与抗热等复杂性状相关的位点挑战更大。

林鸿宣团队挑战的就是水稻抗热自然基因点位。该团队继在2015年成功定位克隆了水稻首例抗热的QTL位点TT1后,最近又成功分离克隆了水稻抗热QTL TT2。携带QTL TT2的华粳籼74,相较于老款,在苗期的成活率显著提高了8~10倍,同时该位点的导入也增强了成熟期的抗热能力——高温胁迫下单株产量增幅达54.7%,结实率增幅达82.1%。


值得注意的是,TT2基因位点不仅在水稻中存在,它在各类作物中广泛存在,并高度保守。例如在小麦中有75.6%的同源度、玉米中有53.7%的同源度,因此该抗热基因在抗热作物的遗传改良和应用中有广泛的前景。

实际上,对植物抗热QTL/基因的挖掘、分离克隆,一直以来都是科学家们研究的重点。但是科学家们研究的这些位点几乎都是通过“积极应对”的方式来提高水稻的抗热能力,“积极应对”的一个弊端是,无论是通过毒性蛋白的清除还是活性氧的清除,势必会带来能量的消耗,造成“能量惩罚”,并最终导致产量降低。

而TT2位点的特别之处在于,它是用“以静制动”的方式来为植物抵御高温。通过降低热响应,使植物处于钝感状态,减少能量损耗,维持基本生命活动,待高温结束后可以快速重建恢复。并且,TT2位点在育种应用上更为便捷,既可以通过杂交导入,也可以通过定向的基因敲除,获得抗热品系,大大缩短育种周期。

因此,研究团队认为TT2是一份作物抗热育种的珍贵基因资源,对未来作物借助分子设计手段实现定点的抗热遗传改良具有重要意义。

在论文评审过程中,三位审稿人均对该工作给以高度评价。鉴于该工作的重要性,《Nature Plants》同期在线发表了由荷兰瓦格宁根大学Scott Hayes博士撰写的题为“Wrapped up against the heat”的评论文章,对该成果进行了评论与展望。Scott Hayes博士对上述研究成果进行了点评,称其是抗热研究领域的一大重要进展,并指出所发现的基因为植物育种和基因编辑提供了令人兴奋的潜在靶标,有助于我们应对在快速变暖的地球上出现的粮食安全问题。

中科院分子植物科学卓越创新中心博士后阚义为第一作者,林鸿宣研究员为通讯作者。该工作得到了国家基金委、中科院、岭南现代农业广东省实验室等的资助。

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