全球氣候變暖威脅全球糧食安全的根基，如何挖掘作物中的耐熱基因，已成為農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的迫切任務(wù)。中國科學(xué)家的最新研究，破譯了水稻“熱警報”雙重密碼。
北京時間12月3日凌晨，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士團隊與上海交通大學(xué)林尤舜研究員團隊、廣州國家實驗室李亦學(xué)研究員團隊合作在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)上發(fā)表研究論文。該成果破解了水稻感知并響應(yīng)高溫的雙重密碼鎖，揭示了植物中的一個循序激活、協(xié)同串聯(lián)的熱信號感知機制；通過對該機制的遺傳改良，培育出具有梯度耐熱性的水稻新株系，助力作物耐高溫分子育種，為應(yīng)對全球變暖導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)提供了新的解決方案。
這意味著，科學(xué)家不僅能增強作物的耐熱性，更能像調(diào)節(jié)音量一樣精準(zhǔn)設(shè)計“梯度耐熱”品種，以適應(yīng)不同地區(qū)的氣候需求，維持作物在高溫環(huán)境下的產(chǎn)量穩(wěn)定。
受訪者供圖林鴻宣對包括第一財經(jīng)在內(nèi)的媒體介紹，由于高溫會損害作物花粉活力、阻礙授粉與灌漿過程，明顯降低產(chǎn)量和品質(zhì)，直接削弱了主糧產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)潛能，已成為當(dāng)下最嚴(yán)峻、最直接的糧食安全挑戰(zhàn)之一。
當(dāng)高溫來襲，植物細(xì)胞如何“感知”并“響應(yīng)”？高溫會引發(fā)細(xì)胞膜的組分變化，觸發(fā)“膜脂重塑”。然而，這種變化如何被細(xì)胞“識別、轉(zhuǎn)換和解讀”，一直是未解之謎。
研究團隊經(jīng)過多年努力，成功鑒定到水稻中兩個關(guān)鍵調(diào)控因子，DGK7(二酰甘油激酶)和MdPDE1(磷酸二酯酶)。它們像一套精密協(xié)作的“警報系統(tǒng)” ，將高溫物理信號一步步轉(zhuǎn)化為細(xì)胞能夠理解的“生物指令”，完成一場從細(xì)胞邊界到細(xì)胞核的“傳訊”。該發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)連接了從細(xì)胞膜脂質(zhì)重塑到核內(nèi)信號級聯(lián)的完整過程，解決了領(lǐng)域內(nèi)長期存在的難題。
機制的破解為育種提供了精準(zhǔn)靶點。研究團隊基于DGK7和MdPDE1開展遺傳設(shè)計，在模擬高溫的田間試驗中：單基因改良的水稻株系比對照株系增產(chǎn)50%-60%；而TT2協(xié)同DGK7的雙基因改良株系比對照株系產(chǎn)量提升約一倍，米質(zhì)比對照好，且不影響正常條件下的產(chǎn)量。
受訪者供圖尋找水稻的關(guān)鍵基因要通過大規(guī)模的實驗篩選鑒定，每年最熱的七八月，林鴻宣都要帶著學(xué)生下到農(nóng)田里，觀察水稻生長性狀。談及研究水稻抗逆性狀等問題的意義，林鴻宣說，保證糧食安全對我國意義重大，如果挖掘到水稻的“優(yōu)良”基因，就可提高水稻抗逆能力，從而實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，對解決糧食作物的實際生產(chǎn)問題非常有意義。
據(jù)研究團隊介紹，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后闞義、博士研究生穆曉瑞、廣州國家實驗室瞿芳芳副研究員為本文第一作者，上海交通大學(xué)林尤舜研究員、分子植物中心林鴻宣院士、廣州國家實驗室李亦學(xué)研究員為本文通訊作者。該工作得到國家基金委、農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項、國家重點研發(fā)項目、上海交通大學(xué)“2030”項目、上海市現(xiàn)代種業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心、廣州實驗室、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等的資助。