科學家克隆出控制高溫抗性的數量性狀遺傳位點

　　水稻作為全球半數以上人口的主糧，其產量的穩定也遭受高溫的嚴重威脅。據統計，全球水稻產量受到高溫潛在威脅的面積約400萬公頃。到2050年，高溫會使全球糧食減產20%~40%。

　　正因為如此，發掘作物抗高溫基因資源，進而培育抗高溫新品種，一直是科學家待解的難題。

　　10多年前，中科院院士、中科院上海生科院植物生理生態研究所研究員林鴻宣就開始關注這一重大農業問題，如今，其團隊首次從作物中成功克隆了控制高溫抗性的數量性狀遺傳位點。而且，經實驗證明，帶有這種基因的水稻比其親本對照產量高出很多。5月18日，這一成果在線發表在《自然遺傳學》雜志上。

　　“成功克隆作物的抗高溫數量性狀基因，這在國際上是第一例。”對于團隊的成果，林鴻宣很自豪。

　　大海中找一條魚

　　全球平均統計，結實季節溫度每升高1攝氏度，糧食作物會減產 2.5% 到 16%。

　　2013年極高溫天氣給農業帶來的影響依然讓人心有余悸，全國農作物受災1.68億畝、絕收2257萬畝，造成糧食損失2064萬噸。

　　一直以來，科學家們致力于抗熱性狀的改良，但效果并不理想。能否從遺傳學入手，發掘抗熱基因用于提高作物品種的抗熱性？這個問題在林鴻宣的大腦中盤桓了很久。最終，他將目光聚焦在了非洲稻上。

　　盡管畝產不如亞洲稻，非洲稻依然被科學家們視為一個有待開發的珍貴基因資源庫，尤其是它表現出的相當強的抗熱、抗旱性。

　　林鴻宣說，首先要做的，就是找到非洲稻抗高溫的基因片段。這可是一項相當龐大的工程。因為非洲稻中有3萬多個基因，要在這么龐大的數據里找到承擔抗熱大任的基因，就像在茫茫大海中尋找一條被放逐的魚。

　　而且，高溫抗性實驗涉及溫度和濕度控制，實驗的環境條件很難把控。“這就需要反復鑒定和篩選才能得到一個穩定的結果，平均5次實驗才能確定一個數據。”林鴻宣指導的博士、該論文第一作者厲新民告訴記者。

　　還好，他們有著自己的“法寶”，那就是分子標記法。在龐大的基因組這張地圖上，他們對抗熱基因，一步步追蹤，終于在大規模的篩選中，找到了一個包含抗高溫基因的片段。

　　“環衛工人”的保護

　　林鴻宣等人成功分離克隆了這個基因，并將其命名為高溫抗性1號基因（TT1）。

　　研究人員發現，一般水稻在高溫條件下，細胞內的蛋白質會大量失去活性，并具有毒性，造成水稻枯萎死亡。

　　而引入TT1基因的水稻，能夠快速降解因高溫而變性的蛋白，并清除這些有毒垃圾，避免水稻死亡。

　　“TT1對高溫脅迫的響應，就像積雪封路以后，環衛工人很快趕到現場清理一樣，高溫來臨時，該基因表達水平會快速升高。”厲新民說。

　　而且，清除以后，細胞中沒有用的蛋白可以作為原料，降解變成氨基酸，從而循環利用原料，抗熱性會變得更強。

　　他們還將基因導入到草坪草和十字花科等植物中，發現TT1在不同物種中都具有提高植物高溫耐受性的功能。不僅如此，他們還發現，我國栽培的水稻品種中其實也有該基因的“姊妹基因”，而且這些“姊妹基因”的抗高溫能力也各有差異。

　　“生長在低緯度地區的品種，由于面臨的生長環境溫度較高，該基因的抗高溫能力就稍強；反之，高緯度地區品種中，該基因的抗高溫能力就弱。”林鴻宣說，事實上，TT1“姊妹基因”早就發揮了使水稻適應環境溫度的作用。

　　“成功分離克隆出高溫抗性一號基因，這就相當于擁有一個基因資源，將來育種學家想改良我們國家水稻品種的抗熱性，可以直接拿去做雜交。”林鴻宣說。

　　讀懂水稻基因

　　TT1只是支撐非洲稻抗熱能力的一個基因。他們發現，至少還有四個主要基因位點也在發揮著作用。也就是說，還會有高溫抗性2號、3號等將被發現。

　　那么，盡快找出其他四個基因位點也就成了擺在眼前的任務。“我們希望找到別的基因，集合在一起應用，那時抗熱性能會更佳。”林鴻宣說。

　　讀懂水稻基因，是林鴻宣的夢想。水稻就像他的一本書，2002年完成的水稻基因測序讓人們知道這本書里有接近500兆容量的內容。

　　“但現在我們還不太清楚這本書講的是什么，水稻的哪些性狀是由哪些基因決定。”林鴻宣說，同一個基因不只發揮一個功能，同一個功能也不只由一個基因決定，“這本書讀起來很費勁”。

　　2001年以來，林鴻宣團隊先后分離克隆了控制水稻耐鹽性、粒重以及株型等重要性狀的數量性狀基因，如今又在抗熱數量性狀遺傳研究上取得了重要突破。

　　認識水稻基因，利用并掌握他們，是林鴻宣他們的夢想。