陕西
随着全球气候变暖，高温胁迫已经成为威胁农业生产主要因素之一。高温胁迫会严重抑制农作物生长发育并导致其产量锐减、品质下降。与此同时，到本世纪中叶，世界人口预计将达到90亿，预计到2050年，粮食产量将增加70%才能满足人口不断增长的需求。在未来粮食需求大幅增长的背景下，挖掘耐高温自然变异并解析其分子机制、培育耐高温作物品种是保障粮食安全的迫切任务。
近日，四川农业大学钦鹏/李仕贵团队在aBIOTECH发表了题为“Emerging strategies to improve heat stress tolerance in crops” 的综述论文。该综述全面总结了高温对水稻、小麦、玉米三大作物生长发育的危害，以及相关基因和耐高温等位变异的研究进展。
作者利用全球温度历史数据，展示了主要粮食作物（水稻、玉米、小麦、大豆）产区的月极端高温及其频率，为研究温度影响作物产量和品质的机理提供系统的温度数据支撑。并基于温度数据，强调了作物在各生长发育阶段都可能遭遇高温胁迫，如分蘖、穗分化阶段，但高温对这些发育阶段造成的危害并未引起广泛重视。同时作者为解决高温危害作物产量和品质提出了六大策略（图1）：
1）鉴定耐高温自然变异并将其导入生产主栽品种。这是目前解决高温危害的根本途径，但耐高温自然变异的育种价值评估仍是一个重大挑战。作者提出应发掘未被广泛利用的耐高温等位变异，并在目前生产主栽品种及其适应生态区内开展多年多点生产试验，全面评估其耐高温能力和对农艺性状影响，确保提高耐高温能力的同时，兼顾作物生产性能。
2）开发高温记忆表型的育种潜力。胁迫记忆具有经历非致死胁迫后再次遭遇胁迫时产生更强抗逆性的特点。这种更强抗逆性不仅对相同类型胁迫有效，还能增强对其他逆境胁迫的耐受性。未来研究可发掘高温记忆相关基因的优异自然变异，探索其应用潜力，提高作物对频繁高温或其他逆境胁迫的耐受性。
3）协同改良生长发育与耐高温。作物生长发育与耐高温很难协同改良，其原因在于作物在高温条件下往往优先将资源分配给胁迫响应，从而牺牲生长发育。未来的研究应着重挖掘调控胁迫响应和生长发育的关键因子及其分子开关，发掘可协同改良生长发育与耐高温的优异自然变异。
4）发掘耐多逆境胁迫的优异等位基因。在作物实际生长环境中，往往面临高温、干旱等多重逆境胁迫。因此，解决单一高温胁迫危害，不足以使作物应对实际生长环境。未来研究需要深入解析不同胁迫的组合响应机制，发掘抗多重胁迫的优异基因资源。
5）人工创制新的优良变异。利用人工智能设计、蛋白或核酸连续进化系统，高效创制自然界不存在的更优等位变异。
6）开发植物耐高温调节剂。目前，通过遗传改良提高作物耐高温能力面临诸多挑战，因此开发低成本且环境友好的植物调节剂成为缓解高温胁迫的另一重要策略。
图1 解决高温危害的潜在策略
作者最后指出，全球变暖还会导致夜间温度上升，夜间高温同样会对作物产量和粮食品质产生负面影响，但目前对夜间高温或昼夜高温联合胁迫的研究仍然有限，调控昼夜高温耐受性的关键因子仍未被明确，是未来亟待解决的问题。
四川农业大学钦鹏教授为该论文通讯作者，四川农业大学青年教师熊佳威为本文第一作者。该研究受到了国家自然科学基金和四川省科技计划资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42994-024-00195-z
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