多年來科學家一直在尋找水稻的“高溫感受器”

2013年的那個夏天，一直留在中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣院士的記憶深處。當年由于38℃及以上的高溫天多達十幾天，研究團隊在松江農場種植的水稻，結實率還不到10％。

平均氣溫每升高1℃，會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物3％～8％左右的減產。因此，多年來科學家一直在尋找水稻的“高溫感受器”，成為一個亟待攻克的重大科學問題。

林鴻宣研究團隊和上海交通大學林尤舜研究團隊合作，揭示了水稻抗高溫的新機制，同時發現了第一個潛在的水稻“高溫感受器”。2022年6月17日，該研究成果在國際權威學術期刊《科學》發表。

林鴻宣（后排左六）研究組

【高溫不但減少水稻產量，也造成口感下降】

不同農作物在應對高溫時有不同的臨界溫度，比如小麥在26℃、玉米在38℃，水稻在34℃，氣溫超過臨界溫度，則會發生不同程度的減產。

高溫對水稻生長發育的各時期都有危害，尤其是開花結實期，不但減少水稻的總產量，也造成口感等品質下降。

全球氣候變暖加劇了糧食安全問題。到2040年，預計平均氣溫將升高1.5-2.0℃，屆時高溫可能會使全球糧食減產30%-40%，全球水稻產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，人口増加導致糧食需求剛性増長，可能會引發一系列社會問題。

【具有廣泛應用前景和商業價值】

相比亞洲稻，非洲稻蘊含大量豐富的基因資源，能夠有效抵御高溫環境。但其與亞洲稻的遠緣雜交成功率太低，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”，研究團隊用了三四年時間，通過一次次的雜交回交，把非洲稻的耐熱基因片段成功導入亞洲稻中。

“高溫是一個復雜的物理信號，要在植物細胞表面找到感受這一由物理信號轉換為生物信號的感受器，還要不斷地通過實驗重復驗證出來，是我們遇到的一大挑戰。”論文第一作者、中科院分子植物科學卓越創新中心博士生張海（與上海科技大學聯合培養）告訴解放日報·上觀新聞記者。

該研究團隊經過7年的努力（加上遺傳材料構建，耗時近10年），終于成功分離克隆了水稻的一個抗高溫新基因位點，并闡明了其調控高溫抗性的新機制。

一般而言，有些抗逆基因會影響作物產量。但有意思的是，在正常田間條件下，這一抗高溫基因對產量性狀沒有產生負面的影響。“我們在農田搭建了塑料大棚，模擬高溫環境，小面積區域試驗結果顯示，帶有非洲稻抗熱基因的水稻新品系在高溫下增加了20％的產量。”林鴻宣說。

除了水稻，研究人員還可以把這一基因應用于小麥、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量穩定，具有廣泛應用前景和商業價值。

【記者手記】

去年十月，解放日報·上觀新聞記者在松江區泖港鎮的實驗農場采訪，偶遇了林鴻宣院士。當時，他頭戴草帽，腳蹬雨鞋，儼然一個農民的樣子。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“最高產的科學家之一”。作為分子遺傳學領域的領軍人物，2009年他當選為中國科學院院士后依然耕耘不輟，幾乎每年都發表重要學術成果。

對于研究的科學問題，林鴻宣有著一種高度的“專注力”，他總是想方設法要把它琢磨透。多年來，科學家一直在尋找水稻的“高溫感受器”，他帶領團隊前后用了10年時間，終于取得了突破。

林鴻宣喜歡“啃硬骨頭”，總是選擇農業上的重大科學問題作為主攻方向。除了抗高溫，他還和水稻的抗旱、耐鹽較上了勁。這些都是科學難題，但一旦突破，可能就會給水稻育種帶來改變，從而影響我們的生活。

題圖來源：松江農場水稻材料。圖片由中科院分子植物科學卓越創新中心提供