农作物有望抗旱高产两全其美

来源：新民晚报   发布者：亦云   日期：2015-08-18  

8月17日，《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）在线发表了我所何祖华研究组与合作者完成的关于植物抗病抗逆最新研究成果“Overexpression of receptor-like kinase ERECTA improves thermotolerance in rice and tomato”。该研究报导了受体激酶ERECTA可以通过调控细胞死亡提高转基因作物抗高温的能力。 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，抗逆境和高产量往往不可兼得。今天上午，记者从中国科学院上海生科院植物生理生态研究所获悉，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。 　　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。 　　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”。“这个研究成果为作物、园林植物等抗性育种提供了一个重要的技术手段。接下来，希望能和众多农作物育种专家合作，在大田间代代选育出充分发扬‘ER基因’的农作物，抗旱高产两不误。”何祖华说。 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（Pseudomonas syringae）主效QTL位点，有意思的是这个QTL也调控对极端高温（40oC）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。 该工作得到了中国科技部、农业部和国家基金委项目的支持。 　　番茄是起源于温带的外来蔬果，在包括上海在内的南方地区通常无法安然度夏。但昨天，沪上科学家宣布找到了一种天然自带的ER基因，ER基因表达量高的番茄相当于拥有“防晒霜”，可提高水分利用率，增强抗旱性。更喜人的是，以往研究发现，植物抵抗逆境的性状加强，往往伴随植物生长的不正常；ER基因却是“抗逆、高产两不误”。 　　北京时间8月17日晚上，来自中科院上海生科院植物生理生态研究所的这项新成果，在国际顶级杂志《自然·生物技术》在线发表。 　　ER基因广泛存在于各种植物中，可改良不同作物如水稻、玉米、蔬菜等农作物，以及草坪或其他园林植物的抗热性，还可促进其生长发育、改良产量性状。 　　据了解，全球气候变暖引发持续高温，预计2020年世界主要农作物在栽培面积不变的情况下可能产量下降。比如水稻在夏季高温期间，温度每上升1摄氏度，就可能造成减产10%。上海生科院植物生理生态研究所研究员何祖华领衔研究团队，常年致力于植物抗病抗逆研究，他们在极端高温环境下培养形似荠菜的模式植物拟南芥，发现其中一种拟南芥生态类型不仅抗病并且特别耐热，40摄氏度下竟成活2天，于是从中克隆出参与抗病抗高温的一个数量性状基因。 　　最初，何祖华等将这一ER基因转入番茄，验证了其对转基因植物抗热性的提升作用。之后，他们在百余种番茄中筛选出4种，本身ER 基因的表达量就较高，同时也更抗热耐旱。究其机理，ER基因表达水平提高后，显著增强了逆境下植物细胞膜的完整性，使细胞不易死亡。而每个细胞增多增大，组织器官与生物量也随之增大，植株总体壮实，表现出产量优势。这样的“高ER番茄”，在实验楼楼顶曝晒至45摄氏度也不会枯死。 　　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。

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