日前,中科院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究組在Nature Plants期刊上發表論文。繼在2015年成功定位克隆了水稻首例抗熱的QTL位點TT1后,該研究組最近又成功分離克隆了水稻抗熱QTLTT2,成功將其導入廣東優質稻品種華粳秈74中,提高了在苗期存活率以及成熟期的抗熱能力。
全球氣候變暖成為威脅世界糧食安全的一大重要問題,據報道,年平均溫度每升高1℃,將會對水稻、小麥、玉米等糧食作物帶來3%~8%的減產。植物在與高溫的長期對抗中,進化出了不同的應對機制:一方面,植物可以通過“積極應對”來提高自身對于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,從而減少高溫對于植物體本身的損傷;另一方面,植物也可以通過“以靜制動”的方式,使自身鈍感,減少熱響應消耗,維持正常的生理活動,并且在熱脅迫結束后能夠快速“災后重建”,以提高熱脅迫下的生存能力。通過遺傳學手段,挖掘抗熱自然基因位點并對其調控機制進行深入研究,對于作物抗熱遺傳改良具有重要意義。
該研究團隊挑戰的就是水稻抗熱自然基因點位。該團隊繼在2015年成功定位克隆了水稻首例抗熱的QTL位點TT1后,最近又成功分離克隆了水稻抗熱QTL TT2。攜帶QTL TT2的華粳秈74,相較于老款,在苗期的成活率顯著提高了8-10倍,同時該位點的導入也增強了成熟期的抗熱能力——高溫脅迫下單株產量增幅達54.7%,結實率增幅達82.1%。
TT2基因位點在各類作物中廣泛存在,并高度保守,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有廣泛的前景。
截至目前,越來越多的抗熱QTL/基因被挖掘、分離克隆到,但是這些位點幾乎都是通過“積極應對”的方式來提高水稻的抗熱能力,即提高自身對于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,從而減少高溫對于植物體本身的損傷。在高溫脅迫下,植物光合作用受阻,能量處于高度匱乏狀態,一旦調用有限的能量來“積極應對”,勢必會帶來能量的消耗,造成“能量懲罰”,并最終導致產量降低。來自熱帶粳稻的TT2基因位點,則是通過“以靜制動”的方式賦予水稻抗熱的能力,即通過降低熱響應,使植物處于鈍感狀態,減少能量損耗,維持基本生命活動,待高溫結束后可以快速重建恢復,這為植物抵御高溫提供了新的策略。
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