在高温大棚里，种出“不怕热”的水稻

原标题：在高温大棚里，种出“不怕热”的水稻 ■本报见习记者 江庆龄 近日，中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）研究员林鸿宣团队与上海交通大学研究员林尤舜团队、广州国家实验室研究员李亦学团队合作，种出了“不怕热”的水稻。 在模拟高温的田间试验中，单基因改良的水稻株系比对照株系增产50%至60%，双基因改良株系产量提升约1倍，且不影响正常条件下的产量。12月3日，相关研究成果发表于《细胞》。 问题来自田间地头 “我们团队主要研究水稻，偏重应用基础研究，所以需要从农业生产中寻找重要科学问题，以期为育种等工作提供理论依据。”林鸿宣说，“高温等胁迫正是目前农业上新出现的重大问题。” 全球变暖正是罪魁祸首。常年在田间地头走动的林鸿宣经常看到作物在高温下耷拉着脑袋，先是枯黄，然后死去，直接影响最后的收成。 据统计，全球平均气温每升高1摄氏度，将导致作物减产3%~8%，小麦、玉米、水稻、大豆4大作物减产合计达19.7%。以水稻为例，高温不但会减少总产量，更严重影响水稻灌浆，造成稻米品质下降、口感变差。 而联合国最新统计数据显示，2024年1月至9月，全球平均地表气温比工业化前的平均水平高1.5摄氏度。按照当前趋势，到2040年，高温预计会使全球粮食减产30%至40%。与此同时，人口增加导致粮食需求刚性增长，若粮食安全得不到保证，会引发一系列社会问题。 “近几年，我国极端高温天气越来越多，强度越来越大。但植物没办法像动物那样躲到阴凉处，对我们农业工作者来说，就要想办法提高作物的耐热性，确保高产、稳产。”林鸿宣说。 本着这一目标，林鸿宣在过去10多年间一直在和“如何提高水稻耐热本领”较劲。 2015年，林鸿宣团队在《自然-遗传学》发文，揭示了水稻耐热新机制。他们以生长于热带的非洲稻为材料，成功克隆了作物中第一个耐高温的数量性状基因位点TT1，并深入研究了其分子机理、在水稻演化史及耐高温育种中的作用。此后，团队陆续发现TT2、TT3及同时调控耐盐碱和耐热性的基因ATT1/2，逐渐构建起耐热复杂性状分子遗传机制及调控网络。 林鸿宣向记者透露：“我们已成功克隆得到TT4，正在对其分子机制开展深入探究。” “主角”变“配角” 此次发表于《细胞》的工作，是前期研究成果的进一步延续和扩展。 2022年初，关于TT2的论文在《自然-植物》发表，分子植物卓越中心博士后阚义是论文第一作者。他们将TT2导入广东优质稻品种“华粳籼74”中，培育出携带耐热性位点的新耐热品系。相较于对照亲本，该品系在苗期的成活率提高了8至10倍，且在高温胁迫下单株产量增幅达54.7%。 更重要的是，TT2编码一个G蛋白γ亚基。团队进一步深挖后，系统地将G蛋白调控、钙信号传导与解码、蜡质代谢通路联系起来，阐明了一条从上游信号产生到下游生理生化响应的调控通路，即TT2蛋白通过影响钙离子信号调节蜡质含量，进而调控水稻的高温抗性。 阚义是一个喜欢打破砂锅问到底的人。他说：“把TT2敲除后，对水稻产生了非常大的影响。我们推测，它可能参与了不止一条信号通路。” 于是，以TT2这个“主角”为起点，他们进行了新的探索。出乎意料的是，随着实验的推进，“主角”逐渐变成了“配角”。 团队先是综合运用多种组学方法，寻找能够和TT2互作的分子，最终锁定了细胞膜上的脂质分子二酰甘油激酶（DGK7），随后又通过DGK7发现了磷酸二酯酶（MdPDE1）。继而，他们又发现了中间传递信号的信使，最终描绘出高温信号转变为生物指令的完整路径。 林鸿宣将这一过程形容为一场酣畅淋漓的“城市保卫战”。 倘若植物细胞是一个城市，细胞膜则是城墙。当高温危机发生时，城墙上的“哨兵”DGK7被激活，生成大量脂质信使磷脂酸（PA），向城内送信。该过程完成了信号的首次转换与放大，将外界物理高温转化为细胞内的化学警报。 随后，PA进入细胞内部，将城外危情精准传递到城内，并激活“中层指挥官”MdPDE1，然后协助其顺利进入核心司令部——细胞核。MdPDE1随即开始“发号施令”，通过降解另一种信使分子环核苷酸（cAMP），维持耐热基因的表达，促使细胞合成热激蛋白、活性氧清除酶等“耐热武器”，使细胞从常态转入高温应急状态，抵御高温胁迫，产生耐热表型。 那么，研究源头TT2去哪儿了？事实上，它此时正在城墙上起着“监督”DGK7的作用，确保细胞不会引发过度警报和响应，以维持内部整体的稳定与平衡。 要把耐热水稻端上餐桌 “现在看这条通路非常清晰，当时为了搞明白其中的逻辑关系，花了很大力气，是一个不断开盲盒的过程。”阚义举例说，“MdPDE1此前从未被报道过接收脂质信号并水解cAMP，最终正向调控耐热。我们为了证明它具有这个功能，准备了三四十种不同组合的点突变。” 管中窥豹，实验量和数据量无疑非常可观。为此，除了和老搭档林尤舜合作，林鸿宣还联系了李亦学。他们3个团队各有所长——林鸿宣团队擅长遗传学，林尤舜团队的优势在于分子机理研究，李亦学团队则精于生物信息学。除了分工协作，他们还经常在一起开展头脑风暴，有时为了一个细节的分子机理问题，会讨论到凌晨一两点。 团队之间的精诚合作，最终破解了水稻感知并响应高温的“双重密码锁”。2024年12月，团队将论文投往《细胞》。1个月后，他们收到了审稿意见。3位审稿人称，该研究在植物耐热领域具有重要意义。 虽然得到了正面意见，但也被要求补相关实验。由于涉及遗传实验，而水稻的生长周期又长达半年，阚义与分子植物卓越中心博士研究生、论文共同第一作者穆晓瑞补第一轮实验就用了7个月。又经过几个月的反复打磨，论文才顺利被接收。 对林鸿宣、阚义等人来说，发表论文更多是出于提供理论基础、为同行提供研究思路的目的。他们更希望将自己找到的基因最终变成新品种，解决更多人的温饱问题。 因此，这项研究并未止步于解决科学问题。团队基于发现的新基因开展遗传设计，并专门搭建了模拟高温的田间大棚进行试验。这个试验持续了31天，大棚里每天的平均温度超过38摄氏度，最高温达46摄氏度。结果显示，DGK7和MdPDE1单基因改良的水稻株系均比对照株系增产50%至60%，而TT2协同DGK7的双基因改良株系比对照株系产量提升约1倍，且稻米的“颜值”和口感均比对照组好。 更重要的是，在正常条件下，改良株系的表现并不会受到影响。这意味着，面对无法预判的高温天气，农民依然有希望丰收。同时，育种专家能够通过控制改良的基因数量，像调节音量一样精准设计“梯度耐热”品种，以适应不同地区的气候需求。 “由于TT2、DGK7和MdPDE1在植物中都非常保守，这项研究也为水稻、小麦、玉米等主粮作物的耐热育种改良提供了理论依据与基因资源，有广阔的应用前景。”林鸿宣表示，“希望今后能利用这些基因进行后续的育种改良等工作。” 相关论文信息： //doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.003