氣候變暖威脅世界糧食安全,「調製」基因讓水稻從此不怕熱

本報訊 近日,中科院分子植物科學卓越創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。相關研究發表於《自然—植物》。

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℃,會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物減產3%至8%。

植物在與高溫的長期對抗中,進化出不同的應對機制:一方面,植物可以通過「積極應對」來提高自身對於高溫逆境的應對能力,比如,及時清除高溫下積累的毒性蛋白、活性氧等,從而減少高溫對植物體本身的損傷;另一方面,植物也可以通過「以靜制動」的方式,減少自身熱響應消耗,維持正常生理活動,並且在熱脅迫結束後快速「災後重建」,以提高生存能力。

「通過遺傳學手段,挖掘抗熱自然基因位點並對其調控機制進行深入研究,對作物抗熱遺傳改良具有重要意義。」該論文第一作者、中科院分子植物科學卓越創新中心博士後闞義對《中國科學報》說,「但自然基因位點定位難度較大,尤其是定位與抗熱等複雜性狀相關的位點挑戰更大。」

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TT1。在此後的研究中,他們又獲得一個來自熱帶粳稻的抗熱QTL位點TT2。通過回交,研究人員成功將其導入廣東優質稻品種——「華粳秈74」中,從而培育出攜帶抗熱性位點的新抗熱品系。相較於回交親本「華粳秈74」,該品系在苗期的成活率提高了8至10倍,同時該位點的導入也增強了成熟期的抗熱能力,主要表現為高溫脅迫下單株產量增幅達54.7%。

闞義介紹說,TT2基因位點在各類作物中廣泛存在,並高度保守,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用中前景廣泛。

「來自於熱帶粳稻的TT2基因位點是通過『以靜制動』的方式賦予水稻抗熱能力。」闞義補充說,「此外,作為負向調控抗熱的自然位點,TT2在育種應用上更便捷,既可以通過雜交導入水稻品種中,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,對未來作物藉助分子設計手段實現定向的抗熱遺傳改良具有重要意義。」林鴻宣說。

(張雙虎 黃辛)

相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-021-01039-0

(原標題 「調製」基因讓水稻從此不怕熱) 

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