模擬高溫的田間試驗(yàn)顯示耐熱水稻結(jié)實(shí)率和米質(zhì)大幅上升

今夏連續(xù)高溫，水稻熱得在田里打蔫兒，極端情況下甚至?xí)＞趴铡Ｔ谏虾Ｋ山幸黄安慌聼帷钡牡咎镌诮?jīng)歷罕見連續(xù)高溫后，依然保持穩(wěn)產(chǎn)，且米質(zhì)基本不變。12月3日凌晨，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表的一篇論文，揭示了這片稻田“耐熱解暑”的秘密，這將為應(yīng)對(duì)全球變暖導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)提供新的解決方案。

高溫會(huì)損害作物花粉活力、阻礙授粉與灌漿過(guò)程，明顯降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)水稻結(jié)實(shí)率可低至10%，畝產(chǎn)幾乎腰斬。頻繁、持續(xù)的高溫已成為當(dāng)下最嚴(yán)峻、最直接的糧食安全挑戰(zhàn)之一。數(shù)據(jù)顯示，年平均溫度每升高1℃，將會(huì)使水稻減產(chǎn)約3%—8%。

研究團(tuán)隊(duì)位于上海松江的水稻試驗(yàn)田

怎樣讓水稻遭遇極端高溫也能穩(wěn)定產(chǎn)量？早在二十多年前，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣研究員就不斷在基因和分子世界中，探索水稻如何抵抗高溫。經(jīng)過(guò)多年努力，他的團(tuán)隊(duì)在五年前成功鑒定到水稻中兩個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子DGK7和MdPDE1，通過(guò)與上海交通大學(xué)林尤舜研究員、廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李亦學(xué)研究員合作，共同發(fā)現(xiàn)了水稻體內(nèi)的一套精密協(xié)作的高溫“警報(bào)系統(tǒng)”。

TT2-DGK7-MdPDE1熱信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)

DGK7如同一個(gè)安裝在植物細(xì)胞膜上的溫度計(jì)，當(dāng)它感受到高溫來(lái)襲時(shí)，就會(huì)將高溫物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞能夠理解的“生物指令”，傳遞給細(xì)胞核上的MdPDE1，再由MdPDE1通知細(xì)胞核調(diào)動(dòng)力量，大量生產(chǎn)熱激蛋白、活性氧清除酶等“抗熱武器”，使細(xì)胞從常態(tài)轉(zhuǎn)入“高溫應(yīng)急狀態(tài)”。

不過(guò)，在長(zhǎng)期進(jìn)化中，水稻還會(huì)通過(guò)另外一些機(jī)制給“高溫警報(bào)”“抗熱武器”踩剎車，以防過(guò)度消耗能量，影響其正常生長(zhǎng)。為了釋放水稻的耐熱潛能，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)遺傳設(shè)計(jì)，對(duì)水稻進(jìn)行基因改良，一方面增強(qiáng)“警報(bào)”，促使細(xì)胞生產(chǎn)更多“抗熱武器”，另一方面減少“剎車”作用。

論文共同第一作者之一、該中心博士闞義介紹，他們?cè)谙募敬笈餃厥抑心M最高46.95℃、連續(xù)31天超過(guò)38℃的極端高溫環(huán)境，“結(jié)果顯示，DGK7改良后的水稻株系產(chǎn)量?jī)H損失25%，較對(duì)照組高出50%”。如果將該基因與他們之前發(fā)現(xiàn)的耐熱基因TT2同時(shí)改良，則水稻產(chǎn)量損失不足10%，且稻米口感也幾乎不受影響。

DGK7和MdPDE1高溫下保護(hù)水稻產(chǎn)量

“這一發(fā)現(xiàn)使我們未來(lái)可以象調(diào)節(jié)音量一樣，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出‘梯度耐熱’水稻品種，以適應(yīng)不同地區(qū)的氣候條件。”林鴻宣提到，根據(jù)該機(jī)制設(shè)計(jì)的耐熱水稻，并非只能在高溫脅迫下表現(xiàn)良好，在正常氣溫條件下也一樣產(chǎn)量穩(wěn)定。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，這套耐熱機(jī)制在小麥、玉米等主糧作物中也同樣適用，因此未來(lái)有望藉此提升更多作物的耐熱本領(lǐng)。