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【新華社-瞭望】中國科學(xué)院院士 林?zhù)櫺禾岣咦魑锟垢邷匦阅?/p>

據研究,全球平均氣溫每升高1℃,會(huì )導致小麥減產(chǎn)6.0%,水稻減產(chǎn)3.2%,玉米減產(chǎn)7.4%,大豆減產(chǎn)3.1%。據預測,至2040年,高溫有可能使全球糧食減產(chǎn)30%~40%

高溫抗性增強的新品系,在高溫脅迫下的產(chǎn)量,比對照組的產(chǎn)量增加50%以上,可以維持在高溫天氣下水稻產(chǎn)量的穩定性

目前我們已成功挖掘克隆了多個(gè)水稻基因,并且獲得了專(zhuān)利,育種家可以利用這些基因改良作物的種子。比如,可以借助分子生物技術(shù)方法將抗熱新基因TT1、TT2、TT3.1/TT3.2應用于改良水稻、小麥、玉米以及蔬菜等作物的種子

從各種稻種種質(zhì)資源寶藏中挖掘出更多有利基因位點(diǎn),深入揭示水稻復雜數量性狀的調控機制和調控網(wǎng)絡(luò ),搶占農業(yè)知識產(chǎn)權高地,為作物分子設計育種提供新的基因資源和新知識,為我國種業(yè)振興和保障我國糧食安全作貢獻

民以食為天。面對全球氣候變暖,如何用科學(xué)手段保障糧食安全?

  中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心林?zhù)櫺菏浚L(cháng)期面向農業(yè)發(fā)展這一重大戰略需要,選擇重大科學(xué)問(wèn)題作為主攻方向,率先在水稻抗逆復雜性狀(抗高溫、抗旱、耐鹽)、產(chǎn)量復雜性狀的基因挖掘及分子遺傳調控機理研究領(lǐng)域,取得了一系列有國際水平的突破性成果。

  經(jīng)過(guò)長(cháng)達近10年努力,他帶領(lǐng)科研團隊最新的一項研究成果是,在國際上成功發(fā)現第一個(gè)潛在的農作物“高溫感受器”。今后,可借助分子生物技術(shù)方法,將這項研究挖掘的抗高溫新基因,應用于水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等農作物的抗高溫育種改良中,提高不同作物品種的高溫抗性,維持其在極端高溫下的產(chǎn)量穩定性。這對于有效應對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題具有重要意義。

氣候變暖加劇糧食安全問(wèn)題

  《瞭望》:全球氣候變暖,重要的農作物會(huì )受到什么影響?

  林?zhù)櫺弘S著(zhù)溫室氣體排放積累增加,全球氣候變暖速度加快,極端高溫天氣頻繁發(fā)生。以中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心所在的上海為例,據上海中心氣象臺統計,截至今年8月5日,上海35℃以上的高溫天數累計已達32天,為近30年以來(lái)歷史同期最多。其中,40℃及以上的高溫酷暑日已有4天。

  這樣的高溫天氣,無(wú)論是對人類(lèi)的生活還是對農作物的生產(chǎn)均造成危害。因為,當氣溫高出38℃時(shí),會(huì )抑制許多作物包括水稻、玉米、小麥等的生長(cháng),特別是會(huì )降低許多作物的花粉育性,從而引起結實(shí)率下降,造成作物產(chǎn)量大幅度減少。同時(shí),還會(huì )引起作物灌漿不實(shí)、籽粒不飽滿(mǎn),使谷物品質(zhì)顯著(zhù)降低。因此,高溫脅迫(溫度升高至植物適宜范圍最高點(diǎn)產(chǎn)生的對植物的能量代謝、生長(cháng)發(fā)育的脅迫現象)加劇了世界糧食生產(chǎn)安全問(wèn)題。

  據研究,全球平均氣溫每升高1℃,會(huì )導致小麥減產(chǎn)6.0%,水稻減產(chǎn)3.2%,玉米減產(chǎn)7.4%,大豆減產(chǎn)3.1%。據預測,至2040年,高溫有可能使全球糧食減產(chǎn)30%~40%。同時(shí),隨著(zhù)人口的持續增加,糧食需求呈剛性增長(cháng),全球氣候變暖對未來(lái)農業(yè)發(fā)展勢必帶來(lái)巨大挑戰。

  《瞭望》:能否介紹你應對氣候變暖保證糧食生產(chǎn)的研究思路?

  林?zhù)櫺簽榱私鉀Q全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題這一重大戰略需求,我們需要從科學(xué)研究中尋找解決方案。

  綜合應用現代遺傳學(xué)、基因組學(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、植物生理學(xué)等先進(jìn)方法和技術(shù),從豐富的稻種資源包括野生稻、亞洲稻地方品種、非洲稻等種質(zhì)資源中,挖掘鑒定出控制水稻抗高溫、耐鹽、抗旱性狀及高產(chǎn)性狀的基因位點(diǎn),闡明它們的功能與調控機制,為培育抗逆性強、穩產(chǎn)高產(chǎn)的作物品種提供優(yōu)異基因資源和理論基礎,為有效應對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題提供技術(shù)支撐和技術(shù)儲備。

 分離克隆多個(gè)控制水稻復雜性狀的基因

  《瞭望》:請具體介紹一下你們團隊這些年來(lái)的主要科研成果。

  林?zhù)櫺鹤魑镌S多性狀,包括抗高溫、耐鹽、抗旱等抗逆性狀和產(chǎn)量性狀,是由多基因控制的復雜數量性狀,遺傳調控機制復雜,研究難度大,具有挑戰性。

  我們研究團隊從2001年組建起,二十多年來(lái),一直選擇水稻抗逆復雜性狀(抗高溫、耐鹽、抗旱)、產(chǎn)量復雜性狀的基因挖掘及分子遺傳調控機理研究作為主攻方向,在該領(lǐng)域取得一系列突破性成果。

  我們首次成功分離克隆了多個(gè)控制水稻復雜性狀的“重量級”基因,如抗高溫基因(TT1、TT2、TT3)、耐鹽基因(SKC1、HAL3)、抗旱基因(DST、DCA1)、粒型基因(GW2、GL3.1、GSN1、GW6、GSA1、GS3.1)、穗型基因(GNP1、ER1)、株型基因(PROG1)、生殖隔離基因(Hwi1、Hwi2)等,并深入闡明了復雜性狀的遺傳調控機理。不僅有理論創(chuàng )新,還有應用前景。

  目前,我們團隊擁有15項基因授權發(fā)明專(zhuān)利,為我國搶占農業(yè)知識產(chǎn)權高地、改良作物和保障糧食安全,提供了珍貴的基因資源。我們許多成果都已發(fā)表在國際權威期刊雜志,還獲得了國家自然科學(xué)獎二等獎、上海市自然科學(xué)獎一等獎,在國內外產(chǎn)生較大影響。

發(fā)現首個(gè)潛在農作物“高溫感受器”

  《瞭望》:你們的最新一項研究,在國際上成功發(fā)現第一個(gè)潛在的農作物“高溫感受器”。該項研究的重要之處在哪里?

  林?zhù)櫺何覀儓F隊以解決水稻高溫抗性的問(wèn)題作為長(cháng)期的主要研究方向之一。要想挖掘水稻抗高溫基因,首先需要從研究材料入手。

  非洲稻長(cháng)期適應高溫環(huán)境,蘊藏著(zhù)珍貴的抗高溫基因。二十年前,我們就選擇了高溫抗性強的非洲稻作為研究材料,創(chuàng )建遺傳群體材料,采用遺傳學(xué)、基因組學(xué)等技術(shù)方法,對大量的基因型數據和抗熱表型數據進(jìn)行多世代、多年的大規模分析,終于從非洲稻基因組里的幾萬(wàn)個(gè)基因中,挖掘出抗高溫的關(guān)鍵基因,這如同“大海撈針”。

  接下來(lái),通過(guò)分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、植物生理學(xué)等技術(shù)方法,對所挖掘到的抗高溫基因開(kāi)展功能與作用機理研究,闡明水稻抗高溫基因TT1、TT2、TT3調控抗高溫性狀的分子遺傳調控新機制。

  我們還通過(guò)多代回交結合分子標記輔助選擇技術(shù),把這些來(lái)自非洲稻的抗高溫基因位點(diǎn)導入到亞洲稻推廣品種中,培育成高溫抗性增強的新品系。在高溫脅迫下的產(chǎn)量,比對照組的產(chǎn)量增加50%以上,可以維持在高溫天氣下水稻產(chǎn)量的穩定性。因此,既有理論意義又有應用價(jià)值。

  如果說(shuō)我們的研究有獨到之處,那首先在于選擇了非洲稻作為研究材料。選對了研究材料,這是研究成功的關(guān)鍵第一步;研究開(kāi)始的時(shí)候,做好實(shí)驗設計、下功夫和時(shí)間把遺傳群體材料創(chuàng )制好,這是研究的基礎。

  做作物抗高溫研究,工作量大、難度大、周期長(cháng),需要有腦力、毅力、耐力,貴在堅持,不斷克服困難,才能最終取得成功。我的學(xué)生厲新民博士、闞義博士、張海博士等年輕人,在研究水稻抗高溫工作中表現都非常突出,他們奮戰了7年的時(shí)間,終于在水稻抗高溫基因TT1、TT2、TT3的研究中取得了突破性成果。

  最近,我們成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT3,該成果不僅首次揭示了在一個(gè)控制水稻數量性狀的基因位點(diǎn)(TT3)上,存在由兩個(gè)拮抗的基因(TT3.1和TT3.2)組成的遺傳模塊調控水稻高溫抗性的新機制,同時(shí)發(fā)現了第一個(gè)潛在的作物“高溫感受器”。

  我們首次發(fā)現TT3.1—TT3.2遺傳模塊,能將植物細胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應信號聯(lián)系起來(lái),這揭示了嶄新的植物響應極端高溫的分子機制;同時(shí)發(fā)現,定位于細胞質(zhì)膜的TT3.1作為潛在的“高溫感受器”,能感知外界的高溫信號,并將高溫物理信號“解碼”成生物信號,傳遞給葉綠體前體蛋白TT3.2,并通過(guò)液泡途徑降解葉綠體前體蛋白TT3.2,從而在高溫下保護葉綠體免受熱傷害,提高水稻的高溫抗性。

目前的研究還只是“冰山一角”

  《瞭望》:你今后計劃如何進(jìn)一步開(kāi)展研究?

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  目前,我們已成功挖掘克隆了多個(gè)水稻基因,并且獲得了專(zhuān)利,育種家可以利用這些基因改良作物的種子。比如,可以借助分子生物技術(shù)方法將抗熱新基因TT1、TT2、TT3.1/TT3.2應用于改良水稻、小麥、玉米以及蔬菜等作物的種子,提高作物品種的抗熱性,維持在極端高溫天氣下作物產(chǎn)量的穩定性,對于有效應對全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題具有廣泛的應用前景。

  經(jīng)過(guò)中外科學(xué)家的共同努力,我們已經(jīng)克隆了一批水稻重要基因。但水稻基因組有幾萬(wàn)個(gè)基因,目前的研究只是“冰山一角”,還有許多重要的基因位點(diǎn)等待我們去挖掘出來(lái)。此外,關(guān)于作物復雜數量性狀的調控機制也還了解甚少。

  今后,我們將繼續從各種稻種種質(zhì)資源寶藏中挖掘出更多有利基因位點(diǎn),深入揭示水稻復雜數量性狀的調控機制和調控網(wǎng)絡(luò ),不斷吸收新技術(shù)新方法,加快研究進(jìn)度,搶占農業(yè)知識產(chǎn)權高地,為作物分子設計育種提供新的基因資源和新知識,為我國種業(yè)振興和保障我國糧食安全作貢獻。

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