大国“粮”策 | 超38℃高温下，耐热水稻增产20%！应对粮食安全，上海科学家又有新突破

平均气温每升高1℃，水稻、小麦、玉米等粮食作物就会减产约3-8%。面对气候变暖带来的高温胁迫，中国科学家坚持近十年，首次揭示了调控水稻高温抗性的新机制和叶绿体蛋白降解新机制，同时发现了第一个潜在的作物高温感受器。6月17日凌晨，国际著名学术期刊《科学》发表了该研究成果。

利用该发现，科学家已经培育出新品种，在超过38℃的高温下，大田中的耐热水稻品种产量较对照品种增加了20%。

▲研究团队在松江农场种植的水稻材料

完成这个发现的是中科院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣和上海交通大学林尤舜的合作研究团队。从构建遗传材料，到分离克隆基因，该研究团队耗时近十年，终于找到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。

随着全球气候变暖趋势的加剧，高温胁迫成为制约世界粮食生产安全的最为主要的胁迫因子之一。据预测，至2040年，高温将使全球粮食减产30%-40%。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成为当前亟待攻克的重大课题。

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。这个来自非洲栽培稻（CG14）的基因位点，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。

▲来自非洲栽培稻的TT3CG14位点及TT3.1过量表达、TT3.2敲除构建比对照显著增加高温胁迫下的水稻产量。

通过进一步研究发现，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。在高温胁迫下，TT3.1能够从细胞表面进入细胞里的多囊泡体中，招募TT3.2叶绿体前体蛋白进行降解，使成熟态TT3.2不会过多在叶绿体内积累，从而保护叶绿体不受损伤，从而提高水稻的高温抗性。因此，过量表达TT3.1或敲除TT3.2，,能够带来2.5倍以上的增产效果。

“这说明，TT3.1可能是一个潜在的高温感受器，同时我们也发现了叶绿体蛋白降解的新机制。”论文第一作者、中科院分子植物卓越创新中心博士生张海为这个发现，整整投入了七年，终于在博士阶段“啃”下了这块分子植物领域的“硬骨头”——他们发现的TT3.1-TT3.2遗传模块，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。

▲TT3.1-TT3.2遗传模块调控抗热与产量平衡的分子机理。

更可喜的是，在正常田间条件下，它们对产量性状没有负面的影响。此外，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，可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中，对于有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题具有重要意义。

目前，研究团队已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，培育出了新的抗热品系。在抽穗期和灌浆期经过38℃的高温胁迫处理，抗热新品系的增产效果是对照品系的一倍左右，同时田间高温胁迫下的小区增产达到约20%。

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