今年以來(lái)最強(qiáng)高溫這幾天來(lái)襲！陽(yáng)光的炙烤不僅讓人沒(méi)精打采，就連稻田也發(fā)蔫一片，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)量銳減，威脅糧食安全。就水稻來(lái)說(shuō)，當(dāng)氣溫超過(guò)34℃后，不僅長(zhǎng)得少，還長(zhǎng)得“丑”，口感也會(huì)下降。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)林尤舜研究團(tuán)隊(duì)合作，找到了能讓水稻不怕熱的“基因鑰匙”——成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT3，并且闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機(jī)制。今天凌晨2時(shí)，這一研究成果登上國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）。

高溫：糧食的自然天敵

權(quán)威機(jī)構(gòu)和研究者們?cè)A(yù)言，本世紀(jì)高溫將成為威脅糧食安全的最主要因素之一。2013年夏，上海松江農(nóng)場(chǎng)的有些水稻結(jié)實(shí)率就因酷暑不到10%，幾近絕收。

水稻作為全球近半數(shù)人口的主糧，其產(chǎn)量的穩(wěn)定也遭受高溫的嚴(yán)重威脅。科學(xué)家們一直致力于挖掘高溫抗性基因資源、闡明高溫抗性分子機(jī)制以及培育抗高溫作物新品種。

中科院院士林鴻宣很早就開(kāi)始了作物抗高溫的研究。在他的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)成功分離克隆到了控制非洲稻不怕熱的主效基因TT1。今年初，團(tuán)隊(duì)又找到了使自身鈍感、減少熱響應(yīng)消耗的“佛系基因”TT2。

相比我國(guó)種植的、馴化已久的亞洲栽培稻，非洲稻“野生”了不少，卻藏著亞洲稻值得“取經(jīng)”的不怕熱基因。林鴻宣團(tuán)隊(duì)花了很多“笨功夫”，一點(diǎn)點(diǎn)將非洲稻的遺傳片段滲透進(jìn)亞洲稻中。在不影響“稻爸”“稻媽”育性的前提下，亞洲稻耐熱的本事越來(lái)越厲害，也為新發(fā)現(xiàn)提供了材料保障。

暗藏玄機(jī)的高溫抗性基因

這一次，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)大規(guī)模水稻遺傳群體進(jìn)行交換個(gè)體篩選和耐熱表型鑒定，定位克隆到一個(gè)控制水稻高溫抗性的基因位點(diǎn)TT3。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，TT3深藏玄機(jī)——基因位點(diǎn)中存在兩個(gè)拮抗調(diào)控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2。

通過(guò)多代雜交、回交方法，科研人員把高溫抗性強(qiáng)的非洲栽培稻TT3基因位點(diǎn)導(dǎo)入到亞洲栽培稻中，培育成了新的抗熱品系。新品系果然沒(méi)讓大家失望：在高溫環(huán)境下，增產(chǎn)效果是對(duì)照亞洲稻品系的1倍，耐熱“極限”也提高到了38℃。此外，在高溫脅迫下，過(guò)量表達(dá)TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來(lái)2.5倍以上的增產(chǎn)效果；而在正常田間條件下，它們對(duì)產(chǎn)量、性狀沒(méi)有負(fù)面的影響。

值得一提的是，在機(jī)制上的進(jìn)一步研究讓團(tuán)隊(duì)有了另一重收獲：找到了一個(gè)潛在的高溫感受器TT3.1。原來(lái)，葉綠體作為植物光合作用細(xì)胞器易受熱傷害，而過(guò)量表達(dá)TT3.1或敲除TT3.2可以保護(hù)葉綠體免受高溫?fù)p傷，亦可在高溫脅迫下維持葉綠體的光系統(tǒng)穩(wěn)定性。

維持作物產(chǎn)量穩(wěn)定

要是加上遺傳材料構(gòu)建的日子，這又是個(gè)“十年磨一劍”的科研故事。研究主要完成人之一、同時(shí)也是論文第一作者的張海博士為了這項(xiàng)突破，鉆研了7年時(shí)光。本輪疫情，正好趕上論文的修改，小伙子索性在中心住了近3個(gè)月。同樣因?yàn)橐咔?，科研人錯(cuò)過(guò)了常規(guī)的播種季，晚了快一個(gè)月才在松江農(nóng)場(chǎng)種下了水稻材料。

“TT3.1和TT3.2在多種作物中具有保守性，因此它們?yōu)樽魑锟垢邷赜N提供了珍貴的基因資源，具有廣泛應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值?！绷著櫺赋?，“研究首次將植物細(xì)胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，揭示了嶄新的植物響應(yīng)極端高溫的分子機(jī)制?！?/p>

在中科院分子植物卓越中心主任、中科院院士韓斌眼里，林鴻宣是位高產(chǎn)的科學(xué)家，也是中心年輕課題組長(zhǎng)的榜樣?！八葎e人思考更多，有人‘淺嘗輒止’，而林鴻宣一定會(huì)弄通、弄透?！敝行钠渌蒲腥藛T說(shuō)，若林鴻宣蹲在農(nóng)場(chǎng)的水稻試驗(yàn)田邊，不熟悉的人幾乎無(wú)法一眼分辨出哪位是院士，哪位是農(nóng)民。

“民以食為天，食以安為先”，借助分子生物技術(shù)方法，將研究發(fā)掘的抗高溫新基因TT3.1和TT3.2應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高溫育種改良中，可提高不同作物品種的高溫抗性，維持其在極端高溫下的產(chǎn)量穩(wěn)定性，對(duì)于有效應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題具有重要意義。

當(dāng)然，林鴻宣和團(tuán)隊(duì)期待著，未來(lái)還有更多TT4、TT5會(huì)被找到，在抗熱復(fù)雜性狀分子遺傳機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建起，上?？茖W(xué)家有望開(kāi)啟作物抗熱分子設(shè)計(jì)育種的大門(mén)。

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