我國科學家破解水稻抗高温迷局：發現水稻作物內置的天然“空調系統”

記者從湖北省科技廳獲悉，經過數年研究，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、生命科學技術學院、湖北洪山實驗室水稻團隊李一博教授課題組，發現了水稻對抗高温的關鍵基因——QT12，它如同水稻內置天然“空調系統”，可以保證水稻在高温下的產量和品質。4月30日，這一重要研究成果在國際權威期刊《Cell》（《細胞》）上發表。

該研究首次揭示了水稻對抗高温的奧秘武器——基因QT12。它如同作物內置天然“空調系統”，調節水稻耐高温機制。科研人員利用大規模田間自然高温鑑定的稀有抗性種質進行大量遺傳分析，發現了具有我國自主知識產權的關鍵基因QT12，其作用機制恰似古法淬火工藝：當高温來襲，QT12自然變異與NF-Y蛋白複合體形成的初級-次級“雙生鎖”，鎖住高温開關係統，既平衡了儲藏蛋白與澱粉的合成穩態，又穩定了稻米品質和產量，如同在籽粒內部構建起分子級“防火牆”，將高温脅迫“攔住”，為水稻在高温環境下的同時實現優質高產提供了全新的分子機制和綠色發展的育種策略。

遇熱則強：克隆首個品質與產量協同耐自然高温“基因開關”

近20年來，全球氣候變化導致極端高温天氣頻發，嚴重威脅全球農業生產，對糧食作物產量和品質的影響更為突出。多國農業模型分析及統計數據表明，全球平均氣温每升高1℃，將直接導致水稻產量減少6.6%–25%，同時伴隨稻米品質的嚴重劣化，對世界糧食安全帶來嚴峻挑戰。幾個世紀以來，培育優質高產作物一直是農民和育種者的目標，但人們對高温促進堊白外觀品質形成、食味降低的分子遺傳基礎認識非常有限。在這項研究中，經過長達10餘年的灌漿期田間自然高温抗性種質的大量篩選和鑑定，研究團隊利用自主研發的快速、高通量克隆作物重要農藝性狀功能基因的RapMap方法（Zhangetal.NC,2021），從大田耐熱水稻種質中克隆到首個調控品質耐高温的主效QTL基因QT12，該基因同時表現出優異的產量耐熱性。這一發現突破了傳統温室篩選、苗期鑑定方法不能反映真實環境的侷限，解決了長期困擾科學界的“耐高温表型難鑑定、耐高温基因難應用”的瓶頸問題。

打破魔咒：攻克“高產不優質”的技術瓶頸

長江流域是我國第一大水稻主產區，種植面積和年產量均約佔全國總量的三分之二，然而近10年來該稻區極端高温天氣頻發，給水稻穩產與優質帶來了嚴峻挑戰。然而，QT12基因的研究為這一難題帶來了突破性解決方案。通過2023年和2024年武漢、杭州和長沙等長江流域極端高温下的大規模田間試驗，低表達QT12基因在高温環境下表現出很強的耐熱性：與野生型相比，CRISPR編輯的QT12基因突變株系在武漢、杭州和長沙的小區產量分別提升了92.5%、64.1%和54.7%，同時顯著降低了稻米堊白率和堊白度，提升了稻米外觀品質和食味品質；此外，QT12基因導入到雜交稻配組最多的主栽品種“華佔”中的應用也取得了顯著成效，高温下其結實率、單株產量和稻米品質均明顯提升，導致小區產量分別增加了49.1%、77.9%和31.2%；改良品系的稻米儲藏物質營養更加均衡、外觀品質晶瑩剔透、米飯食味性好，進一步驗證了其在高温環境下優質、高產、抗高温的綜合育種實力。該研究成功打破了作物在逆境-生長與產量-品質之間的權衡瓶頸，為多位院士專家最近提倡的“綠色營養超級稻”育種提供了強有力的功能基因、優良種質等技術支撐，可有效保障國家和世界糧食安全。

李一博教授表示，全球氣候變暖導致的極端高温天氣已嚴重威脅主要糧食作物的產量和品質。他強調：“該成果揭示了水稻在自然高温環境下協同實現優質高產的全新分子機制和育種策略，這一研究不僅填補了作物籽粒灌漿期品質高温耐受性領域的科學空白，還為解決全球糧食安全與農業可持續綠色發展問題提供了重要理論依據和技術支持。”

本研究得到了科技創新2030—生物育種重大項目、國家農業重大科技項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金聯合基金重點項目、湖北洪山實驗室等項目的支持。

（總枱記者 張春玲 佘利霞 張文）