专家点评Nature Genetics | 浙江大学刘建祥团队在水稻高温抗性分子机制研究与种质创新领域取得新进展

随着人口不断增长和工业化水平日益提高，全球气温正在逐年升高，极端天气更加频繁。研究表明，全球平均温度每升高1℃将导致粮食作物产量损失6%-7%。此外，全球变暖引起的极端高温严重限制了植物生长和作物增产，造成水稻、小麦、玉米等粮食作物大幅减产，品质下降。深入挖掘作物耐高温的分子调控网络，利用现代生物技术提高作物高温耐受性，对于全球气候变暖背景下的粮食安全和作物精准设计育种具有重要意义。

2025年1月14日，浙江大学刘建祥课题组在国际高影响力期刊Nature Genetics上发表题为The NAT1–bHLH110–CER1/CER1L module regulates heat stress tolerance in rice的研究论文。该研究历经十余载，揭示了水稻高温下蜡质合成调控新途径；针对新发现的高温抗性负调控因子NAT1，采用现代生物技术创制了无转基因成分的基因编辑新种质材料，增加了水稻表面蜡质累积，防止高温条件下水分过度散失。这些育种新材料在苗期和生殖期对高温的抗性明显增强，但其它农艺性状不变，显示出利用该遗传位点进行水稻精准设计育种的优势和潜力。

通过创新的化学转录组学分析方法，该团队筛选到一个受蛋白错误折叠诱导剂诱导的基因 NAT1，该基因在短时间内也受到高温的强烈诱导，RNA原位杂交实验表明，该基因在茎秆表皮和维管组织外周特异受高温诱导表达。在日本晴（NPB）背景中获得NAT1的功能缺失突变体，这些突变体正常温度（30ºC）条件下与野生型对照没有明显区别，但在苗期和生殖期对高温胁迫（45ºC）耐受性增强，存活率、结实率、千粒重和产量显著提高。相反，NAT1的过表达材料则表现出对高温敏感的表型（图1）。因此，NAT1是组织特异性表达的水稻耐热性的负调控因子。

图1 组织特异性表达的NAT1负调控水稻高温抗性

NAT1编码定位于细胞核中的转录抑制因子。转录组RNA-seq分析鉴定了492个受高温诱导的依赖于NAT1的基因， KEGG分析表明这些基因与角质和蜡质生物合成相关的通路富集。该团队重点研究了两个与蜡质生物合成密切相关的基因CER1/CER1L，结果显示，与热胁迫条件下的NPB植物相比，在nat1-1/nat1-2植物中CER1/CER1L的表达水平更高，在NAT1OE-1/NAT1OE-2植物中其表达水平更低，表明NAT1抑制这些蜡质生物合成相关基因的表达。为了进一步研究NAT1在蜡生物合成中的作用，在不同温度条件下使用扫描电子显微镜检查了叶片的表面特征，包括角质层片状和无定形蜡晶体。在常温条件下（30ºC），NPB、nat1-1和NAT1OE-1的叶片表面被蜡晶体紧密覆盖，NAT1OE1植物的蜡密度略低。然而，在高温条件下（45ºC），与NPB植物相比，nat1-1植物的蜡结晶密度高得多，而NAT1OE-1植物的蜡晶体密度更低。气相色谱-质谱法（GC-MS）分析结果表明，与NPB植物相比，nat1-1植物中已知的蜡相关成分（包括烷烃、酯、脂肪酸和醇）的累积水平更高，而NAT1OE-1植物中蜡相关成分的含量更低（图2）。总之，这些发现证明NAT1在热胁迫条件下负调控水稻蜡质的生物合成和累积。

图2 bHLH110正调控水稻高温抗性

该团队进一步通过遗传与表型实验证明CER1和CER1L调控水稻蜡质合成并正向促进水稻苗期和生殖期高温抗性。然而，CER1/CER1L并不是NAT1的直接靶标基因。通过一系列的生化实验筛选与验证，发现NAT1直接抑制转录因子bHLH110的表达，而bHLH110直接促进CER1/CER1L等基因的表达（图3）。遗传与表型实验证明bHLH110也正向调控水稻苗期和生殖期高温抗性；此外NAT1突变导致的水稻高温抗性增强依赖于bHLH110/CER1/CER1L。NAT1编码区虽然存在很强的籼梗分化，但该基因并未受到驯化选择，籼梗两种NAT1的单倍型并未发现有明显的功能分化（图4）。因此，NAT1通过bHLH110-CER1/CER1L抑制高温下蜡质、角质相关基因表达和表皮蜡质、角质的累积来负调控高温抗性。

图3 NAT1抑制bHLH110的表达，而bHLH110促进CER1/CER1L的表达

图4 NAT1和bHLH110的自然变异分析

为了明确编辑NAT1是否能提高其他水稻品种的耐热性，该团队利用基因编辑技术在另外两个水稻品种松早香（SZX）和玉珍香（YZX）背景下编辑了NAT1，创制了不含转基因成分的水稻生物育种新种质，并进行了高温胁迫处理实验。结果表明，这些编辑材料在幼苗期和生殖期都表现出对高温胁迫的更大耐受性，高温条件下存活率、结实率、千粒重和产量比对照明显提高，但其它主要农艺性状基本没有变化。将SZX背景的NAT1基因编辑材料在浙江湖州和衢州两地进行小规模田间实验，结果表明，基因编辑材料在结实率、千粒重和产量上均比对照材料有明显提高，但株高、分蘖数和每穗粒数上没有明显区别（图5）。这些结果显示出基因编辑NAT1位点培育耐热水稻新品种的重要潜力。

图5 基因编辑NAT1显著提高水稻高温抗性

浙江大学特聘研究员芦海平以及刘建祥课题组已毕业的博士生刘学欢为该论文的共同第一作者，刘建祥教授为通讯作者。课题组已毕业的王梅敬博士、祝巧云博士、吕昱树博士和博士生徐舰航也参与了该工作。该研究受到国家科技部重点研发计划项目、浙江省自然科学基金委重大项目、岳麓山实验室等的资助。

https://www.nature.com/articles/s41588-024-02065-2

专家点评

林鸿宣院士点评：

全球变暖，高温天气频发，严重威胁粮食安全。研究水稻等作物高温抗性分子机制，对未来借助分子设计手段培育“不怕热”作物，具有重要意义。然而，水稻高温抗性性状比较复杂，表型鉴定难度大。虽然目前有一些抗热QTL/基因被挖掘、分离和克隆，但是这些位点往往是通过‘积极应对’的方式来提高水稻的抗热能力，用于遗传改良的空间有限。这次刘建祥教授团队揭示NAT1–bHLH110–CER1/CER1L模块高温条件下负调控水稻蜡质合成和高温抗性，通过基因编辑NAT1这个负调控因子，能明显增强水稻的高温抗性。这是水稻高温研究领域的又一次重大突破；该工作从遗传分析、细胞学观察、生化分析，到分子机制解析、育种材料创制和田间小规模测试，数据扎实，工作量巨大。这项工作也说明从种质资源中挖掘受逆境诱导的具有组织特异性表达的负调控因子，进一步采用基因编辑等现代生物技术技术改造这些遗传位点，是未来通过精准设计育种保障粮食安全的重要手段，应给予高度重视。

种康院士点评：

水稻是我国最重要的粮食作物之一，我国超过65%的人口以稻米为主食。近年来，受全球气候变化的影响，水稻的高产优质日益受到极端温度等逆境胁迫的巨大威胁。挖掘水稻适应温度胁迫的分子机制，创制耐高温、低温的水稻育种新种质具有重要的理论意义和应用价值。浙江大学刘建祥教授团队创新了化学转录组学分析方法，采用小分子化合物处理水稻，模拟高温胁迫诱导水稻细胞蛋白质错误折叠，筛选得到一个组织特异表达和快速响应高温胁迫的负调控转录因子NAT1。高温条件下该转录因子NAT1直接抑制bHLH110等基因的表达，而转录因子bHLH110直接促进蜡质合成基因CER1/CER1L等基因的表达。因此，NAT1–bHLH110–CER1/CER1L模块通过负调控蜡质合成和累积来协调水分散失和高温抗性。此外，该团队采用基因编辑技术在不同水稻品种背景下编辑NAT1位点，增强了水稻苗期和生殖期高温抗性。初步的田间实验结果也表明，NAT1编辑材料比野生型对照的结实率、千粒重和产量均显著增加，但株高、分蘖数、生育期等其它农艺性状未发生明显改变。刘建祥团队积极开发新工具新方法，将理论研究和潜在应用很好地结合起来，对我国用好基因编辑这把利剑打赢种业翻身仗、加快生物精准育种意义重大。

何祖华院士点评：

全球气候变暖引起的持续高温不仅影响人类生存环境，还导致高温、干旱以及病虫害爆发等各种农业自然灾害，对农作物稳产高产造成了严重的威胁。因此发掘抗逆基因资源，进而培育抗逆农作物新品种，具有重要战略意义。由于植物抗逆是一个复杂性状，而且抗逆性状的增强往往伴随植物生长不正常，因此之前很少有作物既抗逆又高产的育种成功例子。刘建祥教授团队长期从事植物耐高温分子机制研究，这篇Nature Genetics上的文章揭示了高温条件下NAT1–bHLH110–CER1/CER1L分子模块调控水稻蜡质合成和高温抗性的分子机制，通过基因编辑NAT1这个负调控因子，创制了NAT1功能缺失、无转基因成分的水稻育种新材料，通过增加表面角质、蜡质的合成和累积，明显增强水稻高温抗性。这好比给植物细胞涂了一层防晒、保水的保护膜，让植物更耐热，极端高温条件下水稻结实率、千粒重和产量显著提高。由于NAT1正常条件下表达量低，受高温快速诱导，同时其表达具有空间组织特异性，NAT1基因编辑材料正常条件下生长发育正常，主要农艺性状没有明显改变。因此，基因编辑这种时空特异的负调控因子，对于培育既抗逆又高产的水稻育种材料具有重要的意义。