來源：科技導(dǎo)報(bào)第10期科技新聞-深度報(bào)道。譯自

Science

作者：Erik Stokstad

單個(gè)基因賦予水稻耐高溫性——新發(fā)現(xiàn)有望讓水稻在高溫天氣下維持優(yōu)質(zhì)與穩(wěn)產(chǎn)

水稻是喜溫作物。然而，在進(jìn)入花期后，夜間高溫環(huán)境可能導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，并形成堊白粒。育種家已著手解決這些問題，但進(jìn)展十分緩慢，隨著氣候變化風(fēng)險(xiǎn)加劇，這一挑戰(zhàn)愈加嚴(yán)峻。

十年追“熱”：從田間到基因的突破

經(jīng)過10余年探索，中國(guó)研究人員于2025年4月30日在Cell上發(fā)表研究，揭示了一種關(guān)鍵基因。研究證實(shí)，該基因的自然變異體可在高溫環(huán)境下同時(shí)維持水稻產(chǎn)量與品質(zhì)。對(duì)此，阿肯色州立大學(xué)研究水稻高溫脅迫的植物生物化學(xué)家Argelia Lorence表示，“這項(xiàng)研究是一項(xiàng)重大突破”。她指出，除水稻以外，該基因可能對(duì)其他作物有著更廣泛的影響，小麥、玉米等面臨類似熱害問題的谷物同樣攜帶該基因。

氣溫上升對(duì)水稻生產(chǎn)的威脅與日俱增。菲律賓國(guó)際水稻研究所（IRRI）2004年發(fā)表的一項(xiàng)標(biāo)志性研究發(fā)現(xiàn)，1979—2003年，夜間平均氣溫每升高1℃，水稻產(chǎn)量就下降10%。在亞洲和非洲的許多水稻種植區(qū)，夜間升溫速度始終是白天的2倍。

白天天氣酷熱難耐，越南一些稻農(nóng)改為在晚上夜晚耕作。(法新社照片)

2012年，中國(guó)某研究團(tuán)隊(duì)開始篩選耐高溫的水稻品種。在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物遺傳學(xué)家李一博的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)在中國(guó)夜間溫度較高的4個(gè)地區(qū)種植了533個(gè)水稻品種。水稻收割后，該團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)白色不透明籽粒的數(shù)量，評(píng)估了籽粒的堊白度，其中，“成恢448”和“OM1723”2個(gè)實(shí)驗(yàn)品種表現(xiàn)突出。通過品種雜交和追蹤雜交種的遺傳標(biāo)記，該團(tuán)隊(duì)最終鎖定位于12號(hào)染色體上的決定“品質(zhì)耐熱”性狀的基因，并將其命名為QT12。

高溫脅迫的分子密碼

經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)揭示了QT12基因在高溫環(huán)境下引發(fā)問題并導(dǎo)致形成堊白粒的具體過程。在常溫環(huán)境下，調(diào)控該基因的3種轉(zhuǎn)錄因子會(huì)結(jié)合成復(fù)合體，而在高溫環(huán)境下，其中1種因子發(fā)生脫離，并結(jié)合到激活QT12基因的啟動(dòng)子區(qū)域。這一基因調(diào)控變化會(huì)干擾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（協(xié)助蛋白質(zhì)折疊和分子運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵細(xì)胞器），進(jìn)而導(dǎo)致胚乳（構(gòu)成籽粒的組織）中蛋白質(zhì)儲(chǔ)藏減少，淀粉堆積增多。淀粉分子排列不緊密，其他研究人員已經(jīng)證實(shí)，這正是籽粒呈現(xiàn)堊白的原因，而且會(huì)導(dǎo)致稻米加工時(shí)易碎易斷裂，蒸煮后口感黏膩。

在未來的研究中，李一博及其團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)探究QT12基因調(diào)控的改變?nèi)绾斡绊懙久桩a(chǎn)量。阿肯色大學(xué)植物生物技術(shù)專家Vibha Srivastava提出一種假設(shè)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂會(huì)干擾開花過程，降低結(jié)實(shí)率，從而造成減產(chǎn)。

雙效增益的基因?qū)嵶C

基因編輯實(shí)驗(yàn)證實(shí)，QT12基因確實(shí)會(huì)同時(shí)影響稻米產(chǎn)量和品質(zhì)。研究人員敲除某一熱敏感水稻實(shí)驗(yàn)株系的QT12基因后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)修飾的水稻產(chǎn)量保持穩(wěn)定，而未經(jīng)修飾的水稻則減產(chǎn)58%。對(duì)此，Srivastava興奮地表示，盡管水稻商業(yè)品種的基因編輯仍存在難題，但該研究發(fā)現(xiàn)有望為水稻耐熱性改良帶來助益。

傳統(tǒng)育種的基因革命

傳統(tǒng)育種也可能于此受益。李一博團(tuán)隊(duì)鑒定出QT12基因在高溫脅迫下保持惰性的多個(gè)變異體（等位基因），并將“成恢448”品種中的2個(gè)QT12等位基因?qū)霚孛粜退尽叭A占”（中國(guó)雜交稻培育廣泛使用的育種材料）。田間試驗(yàn)表明，改良版“華占”水稻的耐高溫表現(xiàn)明顯更優(yōu)，不同試驗(yàn)地區(qū)增產(chǎn)率為31%~78%，稻米堊白率僅為10%，而常規(guī)“華占”品種的堊白率為60%。

此外，李一博團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性等位基因在栽培稻亞種秈稻中并不罕見，而秈稻比亞洲另一重要栽培稻亞種粳稻的耐高溫性更強(qiáng)。通過分析全球4726個(gè)水稻品種，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，有18%的品種攜帶QT12耐熱等位基因，但能夠適應(yīng)寒冷氣候的粳稻測(cè)試品種均未攜帶該基因。推測(cè)認(rèn)為，在未知遺傳機(jī)制的情況下，低緯度地區(qū)的育種家或稻農(nóng)可能在歷史某個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇保留了QT12的有利等位基因，以抵御高溫對(duì)水稻產(chǎn)量的影響。

單個(gè)基因能同時(shí)影響稻米品質(zhì)和產(chǎn)量2個(gè)重要性狀，Srivastava十分感嘆，并表示“這是一項(xiàng)了不起的發(fā)現(xiàn)”。李一博透露，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)已經(jīng)與中國(guó)主要水稻育種企業(yè)簽署協(xié)議，計(jì)劃共同培育耐熱種系。他表示，“希望廣大育種工作者能夠關(guān)注我們的研究成果，并積極應(yīng)用到水稻生產(chǎn)中”。路易斯安那州立大學(xué)水稻育種家Adam Famoso對(duì)此很感興趣，嘗試在當(dāng)?shù)厮酒贩N中納入QT12等位基因。他設(shè)想，“如果我們能取得類似的研究成果，將產(chǎn)生巨大影響”。

國(guó)際水稻研究所稻米品質(zhì)研究人員Nese Sreenivasulu預(yù)測(cè)，這一研究發(fā)現(xiàn)將為溫帶地區(qū)種植粳稻品種帶來最大效益，這些地區(qū)目前的水稻作物對(duì)高溫尤為敏感。但他認(rèn)為，若想完全保護(hù)熱帶地區(qū)秈稻品種免受夜間30°C高溫影響，僅靠單個(gè)基因提供的保護(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。他表示，科學(xué)家仍需繼續(xù)篩選種質(zhì)資源，“我們必須找到耐極端高溫的種系”。

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