Science:水稻抗高温基因研究取得新突破,这位毕业生是一作

ON2022-06-19文章来源 生命科学与技术学院CATEGORY新闻

随着全球气候变暖趋势的加剧,极端高温成为制约世界粮食生产安全的最为主要的胁迫因子之一。现如今情况因上海科学家的努力而有了不同——上科大特聘教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队与上海交通大学林尤舜研究团队合作挖掘了高温抗性基因资源,探究了高温抗性分子机制,培育了抗高温作物品种。该重磅研究成果近日在国际顶尖学术期刊《科学》(Science)上发表。上海科技大学中科院分子植物科学卓越创新中心联合培养2017级博士研究生张海为本文第一作者,他今年即将携这份惊喜的“毕业礼物”迎来毕业季



温度是一个复杂的物理信号,植物面对环境温度变化时,需要及时有效地将这一物理信号“解码”成生物信号,从而实现对温度胁迫的快速应答。目前鉴定到的植物温度感受器多为调节植物在温暖环境下的形态变化或发育转换过程,关于植物抵抗极端高温的温度感受器还未曾被报道过。一直以来,通过正向遗传学方法定位克隆高温抗性相关复杂数量性状基因位点(QTL)是一个具有挑战性的课题。

为此,继水稻高温抗性因位点TT1TT2被发现之后,团队历经整整7年的努力,成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3,并且阐明了其调控高温抗性的新机制。如果加上遗传材料构建所需的时间,研究已耗时近10年。



图  来自非洲栽培稻的TT3CG14位点及TT3.1过量表达、TT3.2敲除构建显著增加高温胁迫下的水稻产量


图  TT3.1-TT3.2遗传模块调控抗热与产量平衡的分子机理


这是一项工程量巨大的工作——研究团队通过对22762株水稻遗传材料进行大规模交换个体筛选和耐热表型鉴定,定位克隆到一个控制水稻高温抗性的新QTL位点TT3。非洲栽培稻来源的TT3相较于亚洲栽培稻来源的TT3具有更强的高温抗性。该研究发现的TT3.1-TT3.2遗传模块首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来,揭示了全新的植物响应极端高温的分子机制;在极端高温下(42度),细胞质膜定位的TT3.1蛋白通过定位改变,感知温度信号,并将高温物理信号“解码”成生物信号传递给叶绿体前体蛋白TT3.2,并通过不同于26S蛋白酶体降解途径和叶绿体水解酶途径的方式对叶绿体前体蛋白TT3.2进行液泡降解,从而在高温下维持叶绿体的稳定性。因此该研究发现了TT3.1是一个潜在的高温感受器,同时也揭示了叶绿体蛋白降解的新机制。此外,由于TT3.1TT3.2在多种作物中具有保守性,因而为应对全球气候变暖引发的粮食安全问题提供了具有广泛应用前景和商业价值的珍贵的抗高温基因资源。值得一提的是,在论文评审过程中,审稿人均对该工作给予了高度评价,认为此研究带来了非常有趣、重要的新见解。


 

上科大特聘教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员、中科院院士林鸿宣(左);论文第 一作者、上海科技大学2017级博士研究生张海(右)


张海刚进入团队选择课题时,林鸿宣教授引导张海接手水稻耐热位点的定位克隆工作。因为高温是一个复杂的物理信号,对于水稻的高温耐受也没有严格的界定标准,所以在课题初期,张海花了很长时间,对耐热表型进行筛选。经过4年多上百次的鉴定,终于鉴定到了能够显著提高水稻高温抗性的数量性状位点TT3,随后又花了近3年时间对TT3位点的功能进行解析。最终这项工作在毕业前夕以论文的形式被Science接收,给自己七年的硕博生涯递交了一份满意的答卷。”张海说。