科学家克隆出控制高温抗性的数量性状遗传位点

科学家克隆出控制高温抗性的数量性状遗传位点 水稻从此不怕热

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,率先从作物中成功克隆了控制高温抗性的数量性状基因位点,相关研究成果18日在线发表在国际顶级遗传学杂志《自然遗传学》上。

■本报记者 王珊 黄辛

随着全球气候变化,极端高温天气越来越频繁出现,使水稻产量的稳定遭受威胁。发掘作物抗高温基因资源,培育抗高温新品种,具有重要战略意义。10多年前,林鸿宣团队就开始关注作物抗高温研究。在他的指导下,博士生厉新民通过遗传分析和定位克隆,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。研究表明,水稻面临高温胁迫时,其细胞内的蛋白质会大量失活变性,影响细胞内正常的生命活动,严重时会造成细胞破裂,水稻植株枯萎死亡。来源于非洲稻的基因TT1可以在高温时快速启动响应,参与降解变性蛋白的“环卫系统”,使植物细胞及时有效地清除“垃圾”,从而增强植物的抗热性。

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。据统计,全球水稻产量受到高温潜在威胁的面积约400万公顷。到2050年,高温会使全球粮食减产20%~40%。

林鸿宣说,TT1是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资源。TT1在草坪草、大白菜等十字花科植物的抗高温育种中也有广泛应用潜力。

正因为如此,发掘作物抗高温基因资源,进而培育抗高温新品种,一直是科学家待解的难题。

(信息来源:光明日报,2015年5月21日)

10多年前,中科院院士、中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员林鸿宣就开始关注这一重大农业问题,如今,其团队首次从作物中成功克隆了控制高温抗性的数量性状遗传位点。而且,经实验证明,带有这种基因的水稻比其亲本对照产量高出很多。5月18日,这一成果在线发表在《自然遗传学》杂志上。

“成功克隆作物的抗高温数量性状基因,这在国际上是第一例。”对于团队的成果,林鸿宣很自豪。

全球平均统计,结实季节温度每升高1摄氏度,粮食作物会减产 2.5% 到 16%。

2013年极高温天气给农业带来的影响依然让人心有余悸,全国农作物受灾1.68亿亩、绝收2257万亩,造成粮食损失2064万吨。

一直以来,科学家们致力于抗热性状的改良,但效果并不理想。能否从遗传学入手,发掘抗热基因用于提高作物品种的抗热性?这个问题在林鸿宣的大脑中盘桓了很久。最终,他将目光聚焦在了非洲稻上。

尽管亩产不如亚洲稻,非洲稻依然被科学家们视为一个有待开发的珍贵基因资源库,尤其是它表现出的相当强的抗热、抗旱性。

林鸿宣说,首先要做的,就是找到非洲稻抗高温的基因片段。这可是一项相当庞大的工程。因为非洲稻中有3万多个基因,要在这么庞大的数据里找到承担抗热大任的基因,就像在茫茫大海中寻找一条被放逐的鱼。

而且,高温抗性实验涉及温度和湿度控制,实验的环境条件很难把控。“这就需要反复鉴定和筛选才能得到一个稳定的结果,平均5次实验才能确定一个数据。”林鸿宣指导的博士、该论文第一作者厉新民告诉记者。

还好,他们有着自己的“法宝”,那就是分子标记法。在庞大的基因组这张地图上,他们对抗热基因,一步步追踪,终于在大规模的筛选中,找到了一个包含抗高温基因的片段。

林鸿宣等人成功分离克隆了这个基因,并将其命名为高温抗性1号基因 。

研究人员发现,一般水稻在高温条件下,细胞内的蛋白质会大量失去活性,并具有毒性,造成水稻枯萎死亡。

而引入TT1基因的水稻,能够快速降解因高温而变性的蛋白,并清除这些有毒垃圾,避免水稻死亡。

“TT1对高温胁迫的响应,就像积雪封路以后,环卫工人很快赶到现场清理一样,高温来临时,该基因表达水平会快速升高。”厉新民说。

而且,清除以后,细胞中没有用的蛋白可以作为原料,降解变成氨基酸,从而循环利用原料,抗热性会变得更强。

他们还将基因导入到草坪草和十字花科等植物中,发现TT1在不同物种中都具有提高植物高温耐受性的功能。不仅如此,他们还发现,我国栽培的水稻品种中其实也有该基因的“姊妹基因”,而且这些“姊妹基因”的抗高温能力也各有差异。

“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,高纬度地区品种中,该基因的抗高温能力就弱。”林鸿宣说,事实上,TT1“姊妹基因”早就发挥了使水稻适应环境温度的作用。

“成功分离克隆出高温抗性一号基因,这就相当于拥有一个基因资源,将来育种学家想改良我们国家水稻品种的抗热性,可以直接拿去做杂交。”林鸿宣说。

TT1只是支撑非洲稻抗热能力的一个基因。他们发现,至少还有四个主要基因位点也在发挥着作用。也就是说,还会有高温抗性2号、3号等将被发现。

那么,尽快找出其他四个基因位点也就成了摆在眼前的任务。“我们希望找到别的基因,集合在一起应用,那时抗热性能会更佳。”林鸿宣说。

读懂水稻基因,是林鸿宣的梦想。水稻就像他的一本书,2002年完成的水稻基因测序让人们知道这本书里有接近500兆容量的内容。

“但现在我们还不太清楚这本书讲的是什么,水稻的哪些性状是由哪些基因决定。”林鸿宣说,同一个基因不只发挥一个功能,同一个功能也不只由一个基因决定,“这本书读起来很费劲”。

2001年以来,林鸿宣团队先后分离克隆了控制水稻耐盐性、粒重以及株型等重要性状的数量性状基因,如今又在抗热数量性状遗传研究上取得了重要突破。

认识水稻基因,利用并掌握他们,是林鸿宣他们的梦想。

《中国科学报》 (2015-05-26 第1版 要闻)

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