隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，極端高溫成為制約世界糧食生產(chǎn)安全的最為主要的脅迫因子之一，據(jù)報道，平均氣溫每升高1℃，會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物3%-8%左右的減產(chǎn)。因此挖掘高溫抗性基因資源、探究植物高溫響應(yīng)機(jī)制以及培育抗高溫作物品種成為當(dāng)前亟待解決的重大科學(xué)問題。
溫度是一個復(fù)雜的物理信號，植物面對環(huán)境溫度變化時，需要及時有效地將這一物理信號“解碼”成生物信號，從而實(shí)現(xiàn)對溫度脅迫的快速應(yīng)答。目前鑒定到的植物溫度感受器多為調(diào)節(jié)植物在溫暖環(huán)境下的形態(tài)變化或發(fā)育轉(zhuǎn)換過程，關(guān)于植物抵抗極端高溫的溫度感受器還未曾被報道過。
一直以來，通過正向遺傳學(xué)方法定位克隆高溫抗性相關(guān)復(fù)雜數(shù)量性狀基因位點(diǎn)(qtl)是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。中國科學(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，經(jīng)過近十年的努力，通過對大規(guī)模水稻遺傳群體進(jìn)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(diǎn)tt3，并且終于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。
來自非洲栽培稻(cg14)的tt3基因位點(diǎn)相較于來自亞洲栽培稻(wyj)的tt3基因位點(diǎn)具有更強(qiáng)的高溫抗性。通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)tt3基因位點(diǎn)中存在兩個拮抗調(diào)控水稻高溫抗性的基因tt3.1和tt3.2，這為揭示復(fù)雜數(shù)量性狀的分子調(diào)控機(jī)制提供了新的視角。為了了解tt3的生產(chǎn)應(yīng)用價值，研究團(tuán)隊(duì)通過多代雜交回交方法把高溫抗性強(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即近等基因系nil-tt3cg14。
研究團(tuán)隊(duì)通過轉(zhuǎn)基因方法進(jìn)一步驗(yàn)證tt3.1和tt3.2的高溫抗性效果。他們發(fā)現(xiàn)，在抽穗期和灌漿期的高溫處理?xiàng)l件下，nil-tt3cg14的增產(chǎn)效果高于對照品系nil-tt3wyj的1倍左右，同時田間高溫脅迫下的小區(qū)增產(chǎn)達(dá)到約20%。結(jié)果表明在高溫脅迫下，過量表達(dá)tt3.1或敲除tt3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產(chǎn)效果。并且在在正常田間條件下，它們對產(chǎn)量性狀沒有負(fù)面的影響。
緊接著，研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)制上的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：細(xì)胞質(zhì)膜定位的tt3.1在高溫誘導(dǎo)下能夠發(fā)生其蛋白定位的改變，從細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移至多囊泡體中，招募并泛素化細(xì)胞質(zhì)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(dǎo)致進(jìn)入葉綠體的成熟態(tài)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(shí)現(xiàn)在高溫脅迫下對葉綠體的保護(hù)，從而提高水稻的高溫抗性。該項(xiàng)研究結(jié)果表明，tt3.1可能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(jī)制。
綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)的tt3.1-tt3.2遺傳模塊首次將植物細(xì)胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號聯(lián)系起來，揭示了嶄新的植物響應(yīng)極端高溫的分子機(jī)制。同時，借助分子生物技術(shù)方法將該研究發(fā)掘的抗高溫新基因tt3.1/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，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，對于有效應(yīng)對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題具有重要意義。
(資料來源：科技日報)