科学家提出协同提高水稻碱热抗性和产量的新策略

中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员林鸿宣团队与上海交通大学副教授林尤舜团队合作，首次提出精准调控植物激素赤霉素（GA）到合适的中等水平是同时提高水稻碱-热抗性和产量的关键，并发现了一个有潜力成为“后绿色革命”基因的ATT2，为应对全球气候变暖引发的粮食安全问题提供了新策略，对盐碱地的开发利用和未来农业的可持续发展具有重要意义。1月30日，相关研究发表于《自然》。

上世纪六十年代以来，育种家利用被誉为“绿色革命”基因的Sd1和Rht-1，对谷类作物的赤霉素浓度或信号进行调控，实现了水稻和小麦的半矮化育种，并增强了抗倒伏性。由此，在大量施用化肥的条件下，谷物产量大幅度提高，引发了农业“绿色革命”。过去几十年间，半矮秆“绿色革命”品种广泛种植，在一定程度上确保了全球粮食安全，但它们的环境适应性相对较低。在全球环境面临严峻挑战的今天，迫切需要挖掘作物中的耐盐碱、耐热基因，开发集强抗逆和高产于一体的新型“绿色革命”作物品种。

经过六年多努力，研究团队成功分离克隆了水稻碱-热抗性基因ATT1和ATT2。它们是一对编码GA合成酶GA20氧化酶的同源基因，通过控制GA合成，调控GA信号途径中的负调控因子SLR1（DELLA）蛋白的丰度，进而影响活性氧（ROS）的累积和耐碱、耐热基因的组蛋白H3K27 三甲基化修饰水平，最终响应碱-热胁迫。

研究发现，在正常条件下，适当提高半矮秆“绿色革命”水稻品种的GA含量到最佳中等水平，可以进一步提高产量；而在逆境胁迫条件下，水稻的内源活性GA水平降低，通过精准调控水稻品种的活性GA水平到中等水平，可以最大程度地减少环境胁迫带来的产量损失。

基于此，研究团队提出两种微调GA的方法。一种是通过对可能的“后绿色革命”基因ATT2进行遗传工程改良，提高ATT2的表达量或增强ATT2的功能，从而精准调控半矮秆“绿色革命”品种的活性GA至最佳中等水平。另一种则是外源施加适量的植物生长调节剂（赤霉素 “920”），以减少逆境胁迫造成的产量损失。 

研究团队表示，这些方法不仅可以提高作物的抗逆性，维持其在盐碱、高温等不利环境下的产量稳定，还可以在正常田间条件下进一步提高谷物产量，有望在水稻、小麦、玉米等主粮作物的育种改良中发挥重要作用。同时，研究结果为培育“高产高抗”作物新品种提供了重要的理论依据，同时也为大面积盐碱地的开发利用提供了新的策略。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08486-7