科学家成功克隆出抗高温基因 推动水稻抗高温研究发展

由中科院上海生科院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室林鸿宣院士领衔的研究团队在水稻功能基因组学研究上又取得重要进展，他们第一次从作物中成功克隆了控制高温抗性的数量性状基因位点（QTL），并深入研究了其分子机理、在水稻演化史以及抗高温育种中的作用，相关研究成果于2015年5月18日在线发表在国际顶级遗传学杂志Nature Genetics（《自然遗传学》）上。

随着全球气候变化，极端高温天气越来越频繁地出现，对粮食生产造成了严重威胁。水稻作为全球半数以上人口的主粮，其产量的稳定也遭受高温的严重威胁。因此发掘作物抗高温基因资源，进而培育抗高温新品种，来应对气候变暖的威胁，具有重要战略意义。但由于作物的高温抗性是由多个QTL基因位点控制的复杂性状，研究难度大，发掘与克隆作物抗高温基因的工作挑战性大。之前尚未有成功分离克隆作物抗高温QTL基因的报道。

林鸿宣等从10多年前就开始关注作物抗高温的研究。经过长期努力攻关，在他的指导下，博士生厉新民通过遗传分析和定位克隆，终于成功分离克隆到了控制非洲稻高温抗性的主效QTL—高温抗性1号基因 （TT1）。他们进一步对该基因调控水稻高温抗性的分子机制进行了深入的研究。结果表明：在水稻面临高温胁迫时，其细胞内的蛋白质会大量失活变性，而这些变性的蛋白质就像城市中的垃圾一样，不仅不能再发挥正常功能，反而有毒性，会影响细胞内正常的生命活动，严重时就会造成细胞破裂死亡，水稻植株也就枯萎死亡。该研究发现的这个来源于非洲稻的基因（TT1）可以在高温来临时快速地启动响应，参与到细胞中降解变性蛋白的“环卫系统”中，使植物细胞能及时有效地清除这些毒性“垃圾”，避免它们过度积累引发细胞坏死，从而增强植物的抗热性。

在我国种植的是亚洲栽培稻，而非洲稻是一种不同于亚洲稻的物种，它在几万年以前就生长在非洲热带大陆，与亚洲稻分开独立演化。群体遗传学分析显示，虽然非洲稻演化出来了一种特异形式的TT1基因，使其能适应热带高温环境；在我国栽培的水稻品种中其实也有该基因的“姊妹基因”，不过其抗高温功能相对较弱。而且，进一步研究发现，我国这些不同品种中TT1“姊妹基因”的抗高温能力也各有差异：总体来说，生长在低纬度地区的品种，由于面临的生长环境温度较高，该基因的抗高温能力就稍强；反之，高纬度地区的品种中该基因的抗高温能力就弱。由此可见，TT1“姊妹基因”位点在我们祖先培育现代水稻品种的过程中，就已经发挥了使它们适应环境温度的作用，是一个有重要生物学意义的基因位点。

非洲稻被认为是一个有待开发的珍贵基因资源库，国际上很多机构和研究组都在试图发掘利用非洲稻基因组中的抗逆基因资源。TT1是这些努力中率先成功发掘到的重要基因，为作物抗高温改良提供了宝贵的基因资源。该研究通过多年的田间杂交，把非洲稻中抗高温能力很强的TT1基因导入到了我国的栽培水稻品种中，明显增强了该品种的高温抗性；同时还探讨了TT1在草坪草和十字花科等植物中的抗高温效果，显示了其在不同物种中都具有提高植物高温耐受性的功能。这些发现也提示TT1在禾本科作物包括小麦等和十字花科蔬菜如大白菜等作物抗高温育种中有广泛的应用潜力。