中科院分子植物卓越中心主任韩斌院士介绍,据研究表明平均温度每升高1℃,会对水稻、小麦、玉米等粮食作物造成3%-8%左右的减产,因此挖掘高温抗性基因资源、阐明高温抗性分子机制以及培育抗高温作物新品种是当前亟待攻克的重大课题。一直以来,通过正向遗传学方法挖掘控制高温抗性的数量性状基因位点难度大、具有挑战性。该中心的林鸿宣院士研究团队经过7年(加上遗传材料构建,耗时近10年)的努力,终于成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3,并且阐明了其调控高温抗性的新机制。这是研究团队继TT1(NatureGenetics,2015)和TT2(NaturePlants,2022)之后,取得的又一重大进展,为作物抗高温育种提供了珍贵的基因资源,具有广泛应用前景和商业价值,对有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题意义重大。

林鸿宣介绍,研究团队通过对大规模水稻遗传群体进行交换个体筛选和耐热表型鉴定,定位克隆到一个控制水稻高温抗性的基因位点TT3,来自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位点相较于来自亚洲栽培稻(WYJ)的TT3基因位点具有更强的高温抗性。进一步研究发现TT3基因位点中存在两个拮抗调控水稻高温抗性的基因TT3.1和TT3.2,研究发现细胞质膜定位的TT3.1在高温诱导下能够发生其蛋白定位的改变,从细胞表面转移至多囊泡体中,招募并泛素化细胞质中的TT3.2叶绿体前体蛋白、通过多囊泡体-液泡途径降解,从而导致进入叶绿体的成熟态TT3.2蛋白的量减少,减轻在热胁迫下TT3.2积累所造成的叶绿体损伤,实现在高温胁迫下对叶绿体的保护,从而提高水稻的高温抗性,这些结果表明TT3.1是一个潜在的高温感受器,同时也阐明了叶绿体蛋白降解的新机制。该研究首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来,揭示了崭新的植物响应极端高温的分子机制。研究团队通过多代杂交回交方法把高温抗性强的非洲栽培稻TT3基因位点导入到亚洲栽培稻中,培育成了新的抗热品系即近等基因系NIL-TT3CG14,在抽穗期和灌浆期的高温处理条件下,NIL-TT3CG14的增产效果是对照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右,同时田间高温胁迫下的小区增产达到约20%。通过转基因方法进一步验证表明,在高温胁迫下过量表达TT3.1或敲除TT3.2也能够带来2.5倍以上的增产效果,而在正常田间条件下,它们对产量性状没有负面的影响。由于TT3.1和TT3.2在多种作物中具有保守性,借助分子生物技术方法将该研究发掘的抗高温新基因应用于水稻、小麦、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高温育种改良,可提高不同作物品种的高温抗性,维持其在极端高温下的产量稳定性。

中科院分子植物科学卓越创新中心博士生张海(与上海科技大学联合培养)为论文第一作者,林鸿宣研究员和林尤舜副教授为本文共同作者。该中心博士生周基福、阚义、单军祥和叶汪薇等参与了该项研究工作。这一研究得到国家基金委基础科学中心项目、中科院先导科技专项(B类)、上海交大、岭南现代农业广东省实验室等资助。