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大國(guó)“糧”策丨天太熱水稻也受不了,上海科學(xué)家種的新品系卻增加了20%產(chǎn)量

2022-06-17 19:33:50   來源:上觀新聞   作者:黃海華
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多年來科學(xué)家一直在尋找水稻的“高溫感受器”

2013年的那個(gè)夏天,一直留在中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士的記憶深處。當(dāng)年由于38℃及以上的高溫天多達(dá)十幾天,研究團(tuán)隊(duì)在松江農(nóng)場(chǎng)種植的水稻,結(jié)實(shí)率還不到10%。

平均氣溫每升高1℃,會(huì)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(xué)家一直在尋找水稻的“高溫感受器”,成為一個(gè)亟待攻克的重大科學(xué)問題。

林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)林尤舜研究團(tuán)隊(duì)合作,揭示了水稻抗高溫的新機(jī)制,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)潛在的水稻“高溫感受器”。2022年6月17日,該研究成果在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》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(yīng)對(duì)高溫時(shí)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(huì)發(fā)生不同程度的減產(chǎn)。

高溫對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的各時(shí)期都有危害,尤其是開花結(jié)實(shí)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(yù)計(jì)平均氣溫將升高1.5-2.0℃,屆時(shí)高溫可能會(huì)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(shí),人口増加導(dǎo)致糧食需求剛性増長(zhǎng),可能會(huì)引發(fā)一系列社會(huì)問題。

【具有廣泛應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值】

相比亞洲稻,非洲稻蘊(yùn)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(yuǎn)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(tuán)隊(duì)用了三四年時(shí)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(dǎo)入亞洲稻中。

“高溫是一個(gè)復(fù)雜的物理信號(hào),要在植物細(xì)胞表面找到感受這一由物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為生物信號(hào)的感受器,還要不斷地通過實(shí)驗(yàn)重復(fù)驗(yàn)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(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生張海(與上??萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng))告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾摺?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過7年的努力(加上遺傳材料構(gòu)建,耗時(shí)近10年),終于成功分離克隆了水稻的一個(gè)抗高溫新基因位點(diǎn),并闡明了其調(diào)控高溫抗性的新機(jī)制。

一般而言,有些抗逆基因會(huì)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(fù)面的影響。“我們?cè)谵r(nóng)田搭建了塑料大棚,模擬高溫環(huán)境,小面積區(qū)域試驗(yàn)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(yīng)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(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

【記者手記】

去年十月,解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾咴谒山瓍^(qū)泖港鎮(zhèn)的實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)采訪,偶遇了林鴻宣院士。當(dāng)時(shí),他頭戴草帽,腳蹬雨鞋,儼然一個(gè)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(xué)家之一”。作為分子遺傳學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物,2009年他當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士后依然耕耘不輟,幾乎每年都發(fā)表重要學(xué)術(shù)成果。

對(duì)于研究的科學(xué)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(xué)家一直在尋找水稻的“高溫感受器”,他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)前后用了10年時(shí)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(xué)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(xué)難題,但一旦突破,可能就會(huì)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(chǎng)水稻材料。圖片由中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心提供