首個潛在作物高溫感受器為農作物抗高溫保駕護航
【化工儀器網 項目成果】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安全的最為主要的脅迫因子之一，據報道，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。因此挖掘高溫抗性基因資源、探究植物高溫響應機制以及培育抗高溫作物品種成為當前亟待解決的重大科學問題。
溫度是一個復雜的物理信號，植物面對環境溫度變化時，需要及時有效地將這一物理信號“解碼”成生物信號，從而實現對溫度脅迫的快速應答。目前鑒定到的植物溫度感受器多為調節植物在溫暖環境下的形態變化或發育轉換過程，關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，通過正向遺傳學方法定位克隆高溫抗性相關復雜數量性狀基因位點(QTL)是一個具有挑戰性的課題。中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究團隊和上海交通大學林尤舜研究團隊合作，經過近十年的努力，通過對大規模水稻遺傳群體進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TT3，并且終于成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點TT3，并且闡明了其調控高溫抗性的新機制。
來自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位點相較于來自亞洲栽培稻(WYJ)的TT3基因位點具有更強的高溫抗性。通過進一步的研究發現TT3基因位點中存在兩個拮抗調控水稻高溫抗性的基因TT3.1和TT3.2，這為揭示復雜數量性狀的分子調控機制提供了新的視角。為了了解TT3的生產應用價值，研究團隊通過多代雜交回交方法把高溫抗性強的非洲栽培稻TT3基因位點導入到亞洲栽培稻中，培育成了新的抗熱品系即近等基因系NIL-TT3CG14。
研究團隊通過轉基因方法進一步驗證TT3.1和TT3.2的高溫抗性效果。他們發現，在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下，NIL-TT3CG14的增產效果高于對照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右，同時田間高溫脅迫下的小區增產達到約20%。結果表明在高溫脅迫下，過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產效果。并且在在正常田間條件下，它們對產量性狀沒有負面的影響。
緊接著，研究團隊在機制上的進一步研究發現：細胞質膜定位的TT3.1在高溫誘導下能夠發生其蛋白定位的改變，從細胞表面轉移至多囊泡體中，招募并泛素化細胞質中的TT3.2葉綠體前體蛋白、通過多囊泡體-液泡途徑降解，從而導致進入葉綠體的成熟態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，實現在高溫脅迫下對葉綠體的保護，從而提高水稻的高溫抗性。該項研究結果表明，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制。
綜上所述，該研究發現的TT3.1-TT3.2遺傳模塊首次將植物細胞質膜與葉綠體之間的高溫響應信號聯系起來，揭示了嶄新的植物響應極端高溫的分子機制。同時，借助分子生物技術方法將該研究發掘的抗高溫新基因TT3.1/TT3.2應用于水稻、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量穩定性，對于有效應對全球氣候變暖引發的糧食安全問題具有重要意義。
(資料來源：科技日報)
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