科學家提出協同提高水稻堿熱抗性和產量的新策略

中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員林鴻宣團隊與上海交通大學副教授林尤舜團隊合作，首次提出精準調控植物激素赤霉素（GA）到合適的中等水平是同時提高水稻堿-熱抗性和產量的關鍵，并發現了一個有潛力成為“后綠色革命”基因的ATT2，為應對全球氣候變暖引發的糧食安全問題提供了新策略，對鹽堿地的開發利用和未來農業的可持續發展具有重要意義。1月30日，相關研究發表于《自然》。

上世紀六十年代以來，育種家利用被譽為“綠色革命”基因的Sd1和Rht-1，對谷類作物的赤霉素濃度或信號進行調控，實現了水稻和小麥的半矮化育種，并增強了抗倒伏性。由此，在大量施用化肥的條件下，谷物產量大幅度提高，引發了農業“綠色革命”。過去幾十年間，半矮稈“綠色革命”品種廣泛種植，在一定程度上確保了全球糧食安全，但它們的環境適應性相對較低。在全球環境面臨嚴峻挑戰的今天，迫切需要挖掘作物中的耐鹽堿、耐熱基因，開發集強抗逆和高產于一體的新型“綠色革命”作物品種。

經過六年多努力，研究團隊成功分離克隆了水稻堿-熱抗性基因ATT1和ATT2。它們是一對編碼GA合成酶GA20氧化酶的同源基因，通過控制GA合成，調控GA信號途徑中的負調控因子SLR1（DELLA）蛋白的豐度，進而影響活性氧（ROS）的累積和耐堿、耐熱基因的組蛋白H3K27 三甲基化修飾水平，最終響應堿-熱脅迫。

研究發現，在正常條件下，適當提高半矮稈“綠色革命”水稻品種的GA含量到最佳中等水平，可以進一步提高產量；而在逆境脅迫條件下，水稻的內源活性GA水平降低，通過精準調控水稻品種的活性GA水平到中等水平，可以最大程度地減少環境脅迫帶來的產量損失。

基于此，研究團隊提出兩種微調GA的方法。一種是通過對可能的“后綠色革命”基因ATT2進行遺傳工程改良，提高ATT2的表達量或增強ATT2的功能，從而精準調控半矮稈“綠色革命”品種的活性GA至最佳中等水平。另一種則是外源施加適量的植物生長調節劑（赤霉素 “920”），以減少逆境脅迫造成的產量損失。 

研究團隊表示，這些方法不僅可以提高作物的抗逆性，維持其在鹽堿、高溫等不利環境下的產量穩定，還可以在正常田間條件下進一步提高谷物產量，有望在水稻、小麥、玉米等主糧作物的育種改良中發揮重要作用。同時，研究結果為培育“高產高抗”作物新品種提供了重要的理論依據，同時也為大面積鹽堿地的開發利用提供了新的策略。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08486-7