多年來科學家一直在尋找水稻的“高溫感受器”

2013年的那個夏天，一直留在中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士的記憶深處。當年由于38℃及以上的高溫天多達十幾天，研究團隊在松江農(nóng)場種植的水稻，結(jié)實率還不到10％。

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(chǎn)。因此，多年來科學家一直在尋找水稻的“高溫感受器”，成為一個亟待攻克的重大科學問題。

林鴻宣研究團隊和上海交通大學林尤舜研究團隊合作，揭示了水稻抗高溫的新機制，同時發(fā)現(xiàn)了第一個潛在的水稻“高溫感受器”。2022年6月17日，該研究成果在國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》發(fā)表。

林鴻宣（后排左六）研究組

【高溫不但減少水稻產(chǎn)量，也造成口感下降】

不同農(nóng)作物在應對高溫時有不同的臨界溫度，比如小麥在26℃、玉米在38℃，水稻在34℃，氣溫超過臨界溫度，則會發(fā)生不同程度的減產(chǎn)。

高溫對水稻生長發(fā)育的各時期都有危害，尤其是開花結(jié)實期，不但減少水稻的總產(chǎn)量，也造成口感等品質(zhì)下降。

全球氣候變暖加劇了糧食安全問題。到2040年，預計平均氣溫將升高1.5-2.0℃，屆時高溫可能會使全球糧食減產(chǎn)30%-40%，全球水稻產(chǎn)量受到高溫潛在威脅的面積約有400萬公頃(6000萬畝)。與此同時，人口増加導致糧食需求剛性増長，可能會引發(fā)一系列社會問題。

【具有廣泛應用前景和商業(yè)價值】

相比亞洲稻，非洲稻蘊含大量豐富的基因資源，能夠有效抵御高溫環(huán)境。但其與亞洲稻的遠緣雜交成功率太低，只有1％，只能得到幾粒種子，近乎“雜交不育”。

為了抓住這一“渺茫的希望”，研究團隊用了三四年時間，通過一次次的雜交回交，把非洲稻的耐熱基因片段成功導入亞洲稻中。

“高溫是一個復雜的物理信號，要在植物細胞表面找到感受這一由物理信號轉(zhuǎn)換為生物信號的感受器，還要不斷地通過實驗重復驗證出來，是我們遇到的一大挑戰(zhàn)。”論文第一作者、中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心博士生張海（與上海科技大學聯(lián)合培養(yǎng)）告訴解放日報·上觀新聞記者。

該研究團隊經(jīng)過7年的努力（加上遺傳材料構(gòu)建，耗時近10年），終于成功分離克隆了水稻的一個抗高溫新基因位點，并闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機制。

一般而言，有些抗逆基因會影響作物產(chǎn)量。但有意思的是，在正常田間條件下，這一抗高溫基因?qū)Ξa(chǎn)量性狀沒有產(chǎn)生負面的影響。“我們在農(nóng)田搭建了塑料大棚，模擬高溫環(huán)境，小面積區(qū)域試驗結(jié)果顯示，帶有非洲稻抗熱基因的水稻新品系在高溫下增加了20％的產(chǎn)量。”林鴻宣說。

除了水稻，研究人員還可以把這一基因應用于小麥、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高溫育種改良，維持其在極端高溫下的產(chǎn)量穩(wěn)定，具有廣泛應用前景和商業(yè)價值。

【記者手記】

去年十月，解放日報·上觀新聞記者在松江區(qū)泖港鎮(zhèn)的實驗農(nóng)場采訪，偶遇了林鴻宣院士。當時，他頭戴草帽，腳蹬雨鞋，儼然一個農(nóng)民的樣子。多年來從播種、插秧、采樣、觀察表型到收種，這些事情他都親力親為。

林鴻宣院士在田間觀察水稻性狀表型

在中科院分子植物卓越中心主任韓斌院士眼中，林鴻宣是該所“最高產(chǎn)的科學家之一”。作為分子遺傳學領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，2009年他當選為中國科學院院士后依然耕耘不輟，幾乎每年都發(fā)表重要學術(shù)成果。

對于研究的科學問題，林鴻宣有著一種高度的“專注力”，他總是想方設(shè)法要把它琢磨透。多年來，科學家一直在尋找水稻的“高溫感受器”，他帶領(lǐng)團隊前后用了10年時間，終于取得了突破。

林鴻宣喜歡“啃硬骨頭”，總是選擇農(nóng)業(yè)上的重大科學問題作為主攻方向。除了抗高溫，他還和水稻的抗旱、耐鹽較上了勁。這些都是科學難題，但一旦突破，可能就會給水稻育種帶來改變，從而影響我們的生活。

題圖來源：松江農(nóng)場水稻材料。圖片由中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心提供