水稻抗高温的遗传机制与生物学基础

As one of the most important environmental factors which affect plant growth and development, temperature fluctuates according to the season, latitude, altitude and so on. Thus plants have evolved to be able to sense and respond to temperature variation, including heat stress. Climate change, mainly in the form of global warming, has been reducing agricultural harvests, resulting in widespread risks of food insecurity and social problems. Maintaining the ability to feed the world’s population under conditions of global warming is a long-term challenge; understanding the molecular basis and genetic breeding of thermotolerant crops is a fundamental way to help meet this challenge. Unfortunately, this issue has largely remained elusive. To solve this problem, we performed QTL analysis using African cultivated rice (Oryza glaberrima Steud.), and have mined several QTLs accounting for the strong ability for African rice to adapt to heat stress, including TT1. Based on these outstanding advances, this project is going to clone these QTLs and elucidate their functions. These endeavors would illuminate the molecular mechanisms and regulatory networks for thermotolerance and adaptation of rice, and also would provide new gene resources for crop heat-tolerance breeding, leading to an international position in researches of crop thermotolerance. Consequently, this project, which would provide both the novel insights about basic scientific issues and their substantial potential for practical applications, will be of importance to enhance crop productivity under global warming conditions.

温度是影响植物生长发育的最重要环境因子之一，随季节、纬度和海拔等因素变化很大。植物由于固着生长，演化出相应机制来应对环境温度的变化，包括极端高温。由于全球气候变暖，极端高温天气出现频率增大，高温也成为影响植物生长的主要胁迫因子，给农业生产带来极大隐患，威胁粮食安全。高温胁迫逐步取代干旱，成为威胁欧洲小麦生产的主要因素；水稻、玉米等作物的生产也受高温的严重影响。为了应对高温对农业生产的威胁，迫切需要研究作物响应高温胁迫的遗传机制和生物学基础，指导培育抗高温作物新品种，但相关研究还很少。我们在前期研究中挖掘、鉴定出几个非洲稻高温抗性的QTL基因位点。本项目拟在原有扎实的基础上，分离克隆抗高温QTL基因，阐明抗高温QTL基因的生物学功能包括生理生化功能，揭示水稻适应高温胁迫的分子遗传机制和调控网络，为作物抗高温育种提供基础，在作物抗高温研究领域占有国际地位。因此本项目具有重要科学意义和应用价值。

包括项目摘要和结题摘要两部分，项目摘要由信息系统自动生成，内容来源于资助项目计划书；结题摘要由项目负责人填写，应简明扼要地概括出主要研究内容、重要结果及其科学意义等。.温度是影响植物生长发育的最重要环境因子之一，随季节、纬度和海拔等因素变化很大。植物由于固着生长，演化出相应机制来应对环境温度的变化，包括极端高温。由于全球气候变暖，极端高温天气出现频率增大，高温也成为影响植物生长的主要胁迫因子，给农业生产带来极大隐患，威胁粮食安全。因此迫切需要研究作物响应高温胁迫的遗传机制和生物学基础，指导培育抗高温作物新品种，但相关研究还很少。本项目通过分离克隆抗高温基因或QTL，阐明抗高温基因或QTL的生物学功能包括生理生化功能，揭示水稻适应高温胁迫的分子遗传机制和调控网络。通过几年的努力，我们成功分离及克隆了一个编码 tRNAHis 鸟苷转移酶的 AET1 基因，它与核糖体相关蛋白如 RACK1A 及 eIF3h 一起调控参与生长素响应基因为主的蛋白翻译效率，从而调控水稻高温适应性，这为水稻适应环境温度机制的研究提供新的思路。此外，我们定位克隆到了一个耐热QTL TT2，其编码一个G蛋白γ亚基，是抗热性的负向调控因子。自然位点的变异导致TT2功能缺失，会使得水稻在高温胁迫下维持蜡质的稳定并增强水稻的耐热性，在高温胁迫下使水稻增产约50%。深入的机制研究发现一个转录因子SCT1，可以通过钙增强其与钙调素的互作来解码钙信号，并且也作为一个负向调控因子调节下游的靶标基因（例如蜡质合成关键基因，OsWR2）。当TT2功能缺失时，热诱导的钙信号减弱，从而削弱了SCT1与钙调素的互作，减弱钙调素对于SCT1活性的抑制作用，从而解释了在高温条件下蜡质维持的机制。本研究不仅将G蛋白、钙信号感知和蜡质代谢联系起来，还为未来培育抗热作物新品种提供重要基因资源和理论基础。相关研究论文发表在著名杂志Molecular Plant和Nature Plants上，另外，还在Nature Communications发表相关论文。