中科院分子植物卓越中心主任韓斌院士介紹,據研究表明平均溫度每升高1℃,會對水稻、小麥、玉米等糧食作物造成3%-8%左右的減產,因此挖掘高溫抗性基因資源、闡明高溫抗性分子機制以及培育抗高溫作物新品種是當前亟待攻克的重大課題。一直以來,通過正向遺傳學方法挖掘控制高溫抗性的數量性狀基因位點難度大、具有挑戰性。該中心的林鴻宣院士研究團隊經過7年(加上遺傳材料構建,耗時近10年)的努力,終于成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點TT3,并且闡明了其調控高溫抗性的新機制。這是研究團隊繼TT1(NatureGenetics,2015)和TT2(NaturePlants,2022)之后,取得的又一重大進展,為作物抗高溫育種提供了珍貴的基因資源,具有廣泛應用前景和商業價值,對有效應對全球氣候變暖引發的糧食安全問題意義重大。

林鴻宣介紹,研究團隊通過對大規模水稻遺傳群體進行交換個體篩選和耐熱表型鑒定,定位克隆到一個控制水稻高溫抗性的基因位點TT3,來自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位點相較于來自亞洲栽培稻(WYJ)的TT3基因位點具有更強的高溫抗性。進一步研究發現TT3基因位點中存在兩個拮抗調控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2,研究發現細胞質膜定位的TT3.1在高溫誘導下能夠發生其蛋白定位的改變,從細胞表面轉移至多囊泡體中,招募并泛素化細胞質中的TT3.2葉綠體前體蛋白、通過多囊泡體-液泡途徑降解,從而導致進入葉綠體的成熟態TT3.2蛋白的量減少,減輕在熱脅迫下TT3.2積累所造成的葉綠體損傷,實現在高溫脅迫下對葉綠體的保護,從而提高水稻的高溫抗性,這些結果表明TT3.1是一個潛在的高溫感受器,同時也闡明了葉綠體蛋白降解的新機制。該研究首次將植物細胞質膜與葉綠體之間的高溫響應信號聯系起來,揭示了嶄新的植物響應極端高溫的分子機制。研究團隊通過多代雜交回交方法把高溫抗性強的非洲栽培稻TT3基因位點導入到亞洲栽培稻中,培育成了新的抗熱品系即近等基因系NIL-TT3CG14,在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下,NIL-TT3CG14的增產效果是對照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右,同時田間高溫脅迫下的小區增產達到約20%。通過轉基因方法進一步驗證表明,在高溫脅迫下過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產效果,而在正常田間條件下,它們對產量性狀沒有負面的影響。由于TT3.1和TT3.2在多種作物中具有保守性,借助分子生物技術方法將該研究發掘的抗高溫新基因應用于水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高溫育種改良,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量穩定性。

中科院分子植物科學卓越創新中心博士生張海(與上海科技大學聯合培養)為論文第一作者,林鴻宣研究員和林尤舜副教授為本文共同作者。該中心博士生周基福、闞義、單軍祥和葉汪薇等參與了該項研究工作。這一研究得到國家基金委基礎科學中心項目、中科院先導科技專項(B類)、上海交大、嶺南現代農業廣東省實驗室等資助。