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我国科学家成功破译水稻感知并响应高温的“双重密码”

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  全球气候变暖给人类的粮食安全带来严峻挑战,迫切需要挖掘作物中的耐热基因,解析耐热机制,培育适应高温气候的新品种。

  记者从中国科学院分子植物科学卓越创新中心获悉,该中心林鸿宣院士团队与上海交通大学林尤舜研究员团队、广州国家实验室李亦学研究员团队合作,经过多年努力,成功破译水稻感知并响应高温的“双重密码”,通过遗传改良培育出具有“梯度耐热性”水稻新株系。12月3日,相关研究论文在国际权威学术期刊《细胞》(Cell)发表。

  据林鸿宣介绍,第一重是细胞膜上的“脂质密码”。当高温来袭,抵达植物细胞“边境的城墙”细胞膜时,膜上“哨兵”二酰甘油激酶(DGK7)首先被激活,解码并启动第一重信号响应,大量生成名为“磷脂酸(PA)”的脂质信使。这一过程完成了高温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,且有掣肘机制,不会被无限放大,以维持细胞内部整体稳定与平衡。

  第二重是细胞核内的“环核苷酸密码”。作为信使的“磷脂酸(PA)”进入细胞内部后,精准传递高温信号,激活“中层指挥官”磷酸二酯酶(MdPDE1),并协助其进入“核心司令部”细胞核。MdPDE1通过降解另一种信使分子环核苷酸(cAMP),促使细胞合成各种“耐热武器”,从常态转入高温应急状态,抵御高温胁迫,产生耐热表型。

  “DGK7和MdPDE1是我们成功鉴定的水稻细胞中两个关键调控因子,它们就像一套精密协作的警报系统,将高温物理信号一步步转化为细胞能够理解的生物指令,从而完成了一场从细胞边界到细胞核的传讯。”林鸿宣说。

  该项研究不仅破解了相关领域内长期存在的一个难题,也为育种提供了精准靶点。研究团队基于“双重密码”开展遗传设计,在模拟高温的田间试验中取得喜人的结果:DGK7或MdPDE1单基因改良的水稻株系比对照株系增产50%-60%;耐热基因TT2协同DGK7的双基因改良株系比对照株系产量提升约一倍,米质比对照好,且不影响正常条件下的产量。

  这意味着,科学家不仅能增强作物的耐热性,更能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,维持作物在高温环境下的产量稳定。

  业内专家认为,该项研究为水稻、小麦、玉米等主粮作物的耐热育种改良,提供了坚实的理论框架和宝贵的基因资源,为在全球变暖背景下保障粮食安全开辟了新的路径。(记者张建松)

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