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大国“粮”策丨天太热水稻也受不了,上海科学家种的新品系却增加了20%产量

上观新闻 2022-06-17 17:44 点击:
多年来科学家一直在寻找水稻的“高温感受器”
 
 

2013年的那个夏天,一直留在中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士的记忆深处。当年由于38℃及以上的高温天多达十几天,研究团队在松江农场种植的水稻,结实率还不到10%。

平均气温每升高1℃,会造成水稻、小麦、玉米等粮食作物3%~8%左右的减产。因此,多年来科学家一直在寻找水稻的“高温感受器”,成为一个亟待攻克的重大科学问题。

林鸿宣研究团队和上海交通大学林尤舜研究团队合作,揭示了水稻抗高温的新机制,同时发现了第一个潜在的水稻“高温感受器”。2022年6月17日,该研究成果在国际权威学术期刊《科学》发表。


林鸿宣(后排左六)研究组

【高温不但减少水稻产量,也造成口感下降】

不同农作物在应对高温时有不同的临界温度,比如小麦在26℃、玉米在38℃,水稻在34℃,气温超过临界温度,则会发生不同程度的减产。

高温对水稻生长发育的各时期都有危害,尤其是开花结实期,不但减少水稻的总产量,也造成口感等品质下降。

全球气候变暖加剧了粮食安全问题。到2040年,预计平均气温将升高1.5-2.0℃,届时高温可能会使全球粮食减产30%-40%,全球水稻产量受到高温潜在威胁的面积约有400万公顷(6000万亩)。与此同时,人口増加导致粮食需求刚性増长,可能会引发一系列社会问题。

【具有广泛应用前景和商业价值】

相比亚洲稻,非洲稻蕴含大量丰富的基因资源,能够有效抵御高温环境。但其与亚洲稻的远缘杂交成功率太低,只有1%,只能得到几粒种子,近乎“杂交不育”。

为了抓住这一“渺茫的希望”,研究团队用了三四年时间,通过一次次的杂交回交,把非洲稻的耐热基因片段成功导入亚洲稻中。

“高温是一个复杂的物理信号,要在植物细胞表面找到感受这一由物理信号转换为生物信号的感受器,还要不断地通过实验重复验证出来,是我们遇到的一大挑战。”论文第一作者、中科院分子植物科学卓越创新中心博士生张海(与上海科技大学联合培养)告诉解放日报·上观新闻记者。

该研究团队经过7年的努力(加上遗传材料构建,耗时近10年),终于成功分离克隆了水稻的一个抗高温新基因位点,并阐明了其调控高温抗性的新机制。

一般而言,有些抗逆基因会影响作物产量。但有意思的是,在正常田间条件下,这一抗高温基因对产量性状没有产生负面的影响。“我们在农田搭建了塑料大棚,模拟高温环境,小面积区域试验结果显示,带有非洲稻抗热基因的水稻新品系在高温下增加了20%的产量。”林鸿宣说。

除了水稻,研究人员还可以把这一基因应用于小麦、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高温育种改良,维持其在极端高温下的产量稳定,具有广泛应用前景和商业价值。

【记者手记】

去年十月,解放日报·上观新闻记者在松江区泖港镇的实验农场采访,偶遇了林鸿宣院士。当时,他头戴草帽,脚蹬雨鞋,俨然一个农民的样子。多年来从播种、插秧、采样、观察表型到收种,这些事情他都亲力亲为。


林鸿宣院士在田间观察水稻性状表型

在中科院分子植物卓越中心主任韩斌院士眼中,林鸿宣是该所“最高产的科学家之一”。作为分子遗传学领域的领军人物,2009年他当选为中国科学院院士后依然耕耘不辍,几乎每年都发表重要学术成果。

对于研究的科学问题,林鸿宣有着一种高度的“专注力”,他总是想方设法要把它琢磨透。多年来,科学家一直在寻找水稻的“高温感受器”,他带领团队前后用了10年时间,终于取得了突破。

林鸿宣喜欢“啃硬骨头”,总是选择农业上的重大科学问题作为主攻方向。除了抗高温,他还和水稻的抗旱、耐盐较上了劲。这些都是科学难题,但一旦突破,可能就会给水稻育种带来改变,从而影响我们的生活。
 


编辑:刘翀