科學(xué)家成功克隆出抗高溫基因 推動(dòng)水稻抗高溫研究發(fā)展
由中科院上海生科院植物生理生態(tài)研究所植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林鴻宣院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)在水稻功能基因組學(xué)研究上又取得重要進(jìn)展，他們第一次從作物中成功克隆了控制高溫抗性的數(shù)量性狀基因位點(diǎn)（QTL），并深入研究了其分子機(jī)理、在水稻演化史以及抗高溫育種中的作用，相關(guān)研究成果于2015年5月18日在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)遺傳學(xué)雜志Nature Genetics（《自然遺傳學(xué)》）上。
隨著全球氣候變化，極端高溫天氣越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)，對(duì)糧食生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。水稻作為全球半數(shù)以上人口的主糧，其產(chǎn)量的穩(wěn)定也遭受高溫的嚴(yán)重威脅。因此發(fā)掘作物抗高溫基因資源，進(jìn)而培育抗高溫新品種，來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變暖的威脅，具有重要戰(zhàn)略意義。但由于作物的高溫抗性是由多個(gè)QTL基因位點(diǎn)控制的復(fù)雜性狀，研究難度大，發(fā)掘與克隆作物抗高溫基因的工作挑戰(zhàn)性大。之前尚未有成功分離克隆作物抗高溫QTL基因的報(bào)道。
林鴻宣等從10多年前就開(kāi)始關(guān)注作物抗高溫的研究。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力攻關(guān)，在他的指導(dǎo)下，博士生厲新民通過(guò)遺傳分析和定位克隆，終于成功分離克隆到了控制非洲稻高溫抗性的主效QTL—高溫抗性1號(hào)基因 （TT1）。他們進(jìn)一步對(duì)該基因調(diào)控水稻高溫抗性的分子機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明：在水稻面臨高溫脅迫時(shí)，其細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)會(huì)大量失活變性，而這些變性的蛋白質(zhì)就像城市中的垃圾一樣，不僅不能再發(fā)揮正常功能，反而有毒性，會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)正常的生命活動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成細(xì)胞破裂死亡，水稻植株也就枯萎死亡。該研究發(fā)現(xiàn)的這個(gè)來(lái)源于非洲稻的基因（TT1）可以在高溫來(lái)臨時(shí)快速地啟動(dòng)響應(yīng)，參與到細(xì)胞中降解變性蛋白的“環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)”中，使植物細(xì)胞能及時(shí)有效地清除這些毒性“垃圾”，避免它們過(guò)度積累引發(fā)細(xì)胞壞死，從而增強(qiáng)植物的抗熱性。
在我國(guó)種植的是亞洲栽培稻，而非洲稻是一種不同于亞洲稻的物種，它在幾萬(wàn)年以前就生長(zhǎng)在非洲熱帶大陸，與亞洲稻分開(kāi)獨(dú)立演化。群體遺傳學(xué)分析顯示，雖然非洲稻演化出來(lái)了一種特異形式的TT1基因，使其能適應(yīng)熱帶高溫環(huán)境；在我國(guó)栽培的水稻品種中其實(shí)也有該基因的“姊妹基因”，不過(guò)其抗高溫功能相對(duì)較弱。而且，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)這些不同品種中TT1“姊妹基因”的抗高溫能力也各有差異：總體來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)在低緯度地區(qū)的品種，由于面臨的生長(zhǎng)環(huán)境溫度較高，該基因的抗高溫能力就稍強(qiáng)；反之，高緯度地區(qū)的品種中該基因的抗高溫能力就弱。由此可見(jiàn)，TT1“姊妹基因”位點(diǎn)在我們祖先培育現(xiàn)代水稻品種的過(guò)程中，就已經(jīng)發(fā)揮了使它們適應(yīng)環(huán)境溫度的作用，是一個(gè)有重要生物學(xué)意義的基因位點(diǎn)。
非洲稻被認(rèn)為是一個(gè)有待開(kāi)發(fā)的珍貴基因資源庫(kù)，國(guó)際上很多機(jī)構(gòu)和研究組都在試圖發(fā)掘利用非洲稻基因組中的抗逆基因資源。TT1是這些努力中率先成功發(fā)掘到的重要基因，為作物抗高溫改良提供了寶貴的基因資源。該研究通過(guò)多年的田間雜交，把非洲稻中抗高溫能力很強(qiáng)的TT1基因?qū)氲搅宋覈?guó)的栽培水稻品種中，明顯增強(qiáng)了該品種的高溫抗性；同時(shí)還探討了TT1在草坪草和十字花科等植物中的抗高溫效果，顯示了其在不同物種中都具有提高植物高溫耐受性的功能。這些發(fā)現(xiàn)也提示TT1在禾本科作物包括小麥等和十字花科蔬菜如大白菜等作物抗高溫育種中有廣泛的應(yīng)用潛力。