浙江大学“国家杰青”团队在Nature子刊（IF=31.8）发表研究成果，揭示水稻高温自保机制
学术
2025-02-02 23:59
法国
随着地球气温逐渐升高，全球平均温度每上升1℃可能会使粮食作物的产量减少6%-7%。除此之外，由全球变暖引发的极端高温天气极大地限制了植物的生长和农作物的增产潜力，导致如水稻、小麦及玉米等主要粮食作物的产量显著下降，并且其品质也有所降低。当我们前往海滩度假时，会想到使用防晒霜来保护自己免受高温和紫外线的伤害。那么，植物是如何在高温环境中自我保护的呢？2025年1月，浙江大学生科院刘建祥课题组在Nature Genetics上发表题为“The NAT1–bHLH110–CER1/CER1L module regulates heat stress tolerance in rice”的研究论文，该研究揭示了农作物在高温环境下表面蜡质合成的新调控机制，并通过基因编辑技术开发出新型水稻育种材料，增加了表层蜡质的积累，从而有效防止了高温下水分的过度蒸发。这相当于给植物细胞涂上了一层具有防晒和保湿功能的保护膜，使它们在高温条件下更加耐热，结实率、千粒重以及最终产量都有显著提升。通过对水稻进行化学转录组学分析，刘教授的研究团队创新地利用小分子化合物处理水稻，模拟高温胁迫对水稻细胞内蛋白质错误折叠的影响，从中筛选出了一个快速响应高温胁迫并在特定组织中特异性表达的负调控转录因子NAT1。研究表明，在正常温度（30ºC）下，NAT1的功能缺失突变体与野生型无明显差异，但在苗期（45ºC）和生殖期（38ºC）的高温条件下，突变体的存活率、结实率、千粒重及产量都得到了显著提高。相反，过表达NAT1的植株则表现出对高温更为敏感的特点。因此，NAT1是决定水稻耐热性的组织特异性负调控因子。进一步实验表明，NAT1直接抑制了转录因子bHLH110的表达，而后者则能促进CER1/CER1L等基因的表达，这些基因对于水稻幼苗期和生殖期的高温抗性至关重要。此外，研究还发现通过基因编辑技术修改其他水稻品种中的NAT1基因，可以有效提高这些品种的耐热性，同时保持其他重要农艺性状不变，显示出基因编辑NAT1位点用于培育耐热水稻新品种的巨大潜力。图5：NAT1-bHLH110-CER1/CER1L模块调控水稻蜡质合成和高温抗性浙江大学刘建祥团队的特聘研究员芦海平以及博士毕业生刘学欢为该论文的共同第一作者，刘建祥教授为通讯作者。团队已毕业的王梅敬博士、祝巧云博士、吕昱树博士和博士生徐舰航也参与了该工作。该研究受到国家科技部重点研发计划项目、浙江省自然科学基金委重大项目、岳麓山实验室等的资助。刘建祥，浙江大学求是特聘教授。先后获得国家优秀青年基金、国家杰出青年基金等资助。长期围绕植物感应和适应温度变化的分子机理开展研究，重点研究高温等逆境胁迫诱导的内质网胁迫应答调控分子机理以及生物钟协调环境温度与生长发育和抗性的分子机制。
