記者從湖北省科技廳獲悉，經(jīng)過數(shù)年研究，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、湖北洪山實驗室水稻團隊李一博教授課題組，發(fā)現(xiàn)了水稻對抗高溫的關(guān)鍵基因——QT12，它如同水稻內(nèi)置天然“空調(diào)系統(tǒng)”，可以保證水稻在高溫下的產(chǎn)量和品質(zhì)。4月30日，這一重要研究成果在國際權(quán)威期刊《Cell》（《細(xì)胞》）上發(fā)表。
該研究首次揭示了水稻對抗高溫的奧秘武器——基因QT12。它如同作物內(nèi)置天然“空調(diào)系統(tǒng)”，調(diào)節(jié)水稻耐高溫機制。科研人員利用大規(guī)模田間自然高溫鑒定的稀有抗性種質(zhì)進行大量遺傳分析，發(fā)現(xiàn)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵基因QT12，其作用機制恰似古法淬火工藝：當(dāng)高溫來襲，QT12自然變異與NF-Y蛋白復(fù)合體形成的初級-次級“雙生鎖”，鎖住高溫開關(guān)系統(tǒng)，既平衡了儲藏蛋白與淀粉的合成穩(wěn)態(tài)，又穩(wěn)定了稻米品質(zhì)和產(chǎn)量，如同在籽粒內(nèi)部構(gòu)建起分子級“防火墻”，將高溫脅迫“攔住”，為水稻在高溫環(huán)境下的同時實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供了全新的分子機制和綠色發(fā)展的育種策略。
遇熱則強：克隆首個品質(zhì)與產(chǎn)量協(xié)同耐自然高溫“基因開關(guān)”
近20年來，全球氣候變化導(dǎo)致極端高溫天氣頻發(fā)，嚴(yán)重威脅全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對糧食作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響更為突出。多國農(nóng)業(yè)模型分析及統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球平均氣溫每升高1℃，將直接導(dǎo)致水稻產(chǎn)量減少6.6%–25%，同時伴隨稻米品質(zhì)的嚴(yán)重劣化，對世界糧食安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。幾個世紀(jì)以來，培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物一直是農(nóng)民和育種者的目標(biāo)，但人們對高溫促進堊白外觀品質(zhì)形成、食味降低的分子遺傳基礎(chǔ)認(rèn)識非常有限。在這項研究中，經(jīng)過長達(dá)10余年的灌漿期田間自然高溫抗性種質(zhì)的大量篩選和鑒定，研究團隊利用自主研發(fā)的快速、高通量克隆作物重要農(nóng)藝性狀功能基因的RapMap方法（Zhangetal.NC,2021），從大田耐熱水稻種質(zhì)中克隆到首個調(diào)控品質(zhì)耐高溫的主效QTL基因QT12，該基因同時表現(xiàn)出優(yōu)異的產(chǎn)量耐熱性。這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)溫室篩選、苗期鑒定方法不能反映真實環(huán)境的局限，解決了長期困擾科學(xué)界的“耐高溫表型難鑒定、耐高溫基因難應(yīng)用”的瓶頸問題。
打破魔咒：攻克“高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)”的技術(shù)瓶頸
長江流域是我國第一大水稻主產(chǎn)區(qū)，種植面積和年產(chǎn)量均約占全國總量的三分之二，然而近10年來該稻區(qū)極端高溫天氣頻發(fā)，給水稻穩(wěn)產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，QT12基因的研究為這一難題帶來了突破性解決方案。通過2023年和2024年武漢、杭州和長沙等長江流域極端高溫下的大規(guī)模田間試驗，低表達(dá)QT12基因在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出很強的耐熱性：與野生型相比，CRISPR編輯的QT12基因突變株系在武漢、杭州和長沙的小區(qū)產(chǎn)量分別提升了92.5%、64.1%和54.7%，同時顯著降低了稻米堊白率和堊白度，提升了稻米外觀品質(zhì)和食味品質(zhì)；此外，QT12基因?qū)氲诫s交稻配組最多的主栽品種“華占”中的應(yīng)用也取得了顯著成效，高溫下其結(jié)實率、單株產(chǎn)量和稻米品質(zhì)均明顯提升，導(dǎo)致小區(qū)產(chǎn)量分別增加了49.1%、77.9%和31.2%；改良品系的稻米儲藏物質(zhì)營養(yǎng)更加均衡、外觀品質(zhì)晶瑩剔透、米飯食味性好，進一步驗證了其在高溫環(huán)境下優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗高溫的綜合育種實力。該研究成功打破了作物在逆境-生長與產(chǎn)量-品質(zhì)之間的權(quán)衡瓶頸，為多位院士專家最近提倡的“綠色營養(yǎng)超級稻”育種提供了強有力的功能基因、優(yōu)良種質(zhì)等技術(shù)支撐，可有效保障國家和世界糧食安全。
李一博教授表示，全球氣候變暖導(dǎo)致的極端高溫天氣已嚴(yán)重威脅主要糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。他強調(diào)：“該成果揭示了水稻在自然高溫環(huán)境下協(xié)同實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的全新分子機制和育種策略，這一研究不僅填補了作物籽粒灌漿期品質(zhì)高溫耐受性領(lǐng)域的科學(xué)空白，還為解決全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展問題提供了重要理論依據(jù)和技術(shù)支持?！?span style="display:none">jxA即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
本研究得到了科技創(chuàng)新2030—生物育種重大項目、國家農(nóng)業(yè)重大科技項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點項目、湖北洪山實驗室等項目的支持。
（總臺記者 張春玲 佘利霞 張文）
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