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科研工作者找到植物特殊基因，从此作物抗旱、高产两不误

花匠小妙招
2024-11-10 13:54

全球气候变暖引起的持续高温干旱，威胁着农作物丰收高产，科学家们正在不懈寻找植物抗逆基因，让农作物高温严寒都不怕。只可惜，抗逆性和高产量往往不可兼得。

近日，中国科学院上海生科院植物生理生态研究所发布消息，何祖华研究员领衔的研究团队在国际上首次找到能够两全其美的植物基因。

发现抗高温基因

近些年来，持续的高温胁迫和作物病害等已经造成了我国农业生产的严重损失。所以，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。但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。何祖华课题组一直从事作物抗病抗逆和高产的研究。经过长期努力攻关，发现植物界的“小白鼠”——拟南芥中，有一个名叫ERECTA（简称“ER”）的基因，颇为与众不同。

即使遭遇40℃的极端高温，依然可以支撑拟南芥青葱翠绿，甚至还能开花结果。“研究表明，该基因与蛋白表达水平的提高，增强了植物水分利用效率和抗旱性，主要是因为通过一种新的细胞保护机制，调控逆境下的细胞死亡。”何祖华解释说，这种新的细胞保护机理就是，ER基因能够显著增强逆境下细胞膜的完整性，使得高温天下的植物细胞不易死亡，从而提高植物的抗性。而且，ER基因并不是拟南芥独有的“抗热秘笈”，其同源基因在绝大多数农作物中普遍存在。

抗旱与高产两不误

研究团队发现ER基因无论是在单子叶粮食作物水稻，还是双子叶经济作物番茄中都具有相同的抗高温功能。更有趣的是，研究人员发现ER基因在水稻中的“孪生基因”突变后，水稻就失去了高温下授粉结实的能力，结实率大大下降。这说明，水稻的ER“孪生基因”也促进水稻抗高温能力，且显著提高了稻穗在酷暑中的结实率和成活率。而在不同来源的番茄品种中，ER基因的“番茄家族”同样表现出两全其美的优秀特质——产量和抗逆性“双优”。

全球气候变暖对植物抗病抗逆性提出了新的难题，尤其高温对农作物生产造成了严重的威胁。何祖华研究组首先在植物抗病性研究中，发现拟南芥的受体激酶ERECTA是一个抗病原菌主效QTL位点，有意思的是这个QTL也调控对极端高温的胁迫耐性。ERECTA基因与蛋白表达水平的提高可以大大提高转基因植物的抗热性，而这种抗性与气孔发育和水分蒸腾无关，并增强了水分利用效率和抗旱性。

研究发现ERECTA通过一种新的细胞保护机制调控逆境下的细胞死亡，ERECTA功能缺失导致细胞死亡的逆境阈值降低，包括细胞膜和细胞器崩塌。而ERECTA表达量提高则显著增强了逆境下细胞膜的完整性，细胞不易死亡，从而提高了转基因植物的抗性。该基因在作物水稻和番茄中也有相同的功能，多年多点的试验表明转基因水稻和番茄也可以显著提高在高温下的结实率和成活率。尤其重要的是这些转基因植株的细胞增多增大，导致各器官与生物量的增大，表现出产量上的优势。这些发现进一步解析了ERECTA的生物学功能，也为抗高温分子育种提供了一个重要的技术。

经过上海、杭州、武汉等地连续3年的田间试验，研究团队还发现ER基因无论在双子叶经济作物番茄、还是在单子叶粮食作物水稻中，都具有相同的抗高温功能，比如“高ER水稻”与对照组相比在高温条件下的结实率提高，在长期高温条件下可增重30%至50%。何祖华表示，这个研究成果提示，对于农作物，可通过自然选育，育出不怕热、不怕晒的新品种；而对于园林植物，可通过转基因手段强化其对于干热的抗性。

编辑：张程

统稿编辑：孟然

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