随着全球气候变暖趋势的加剧，极端高温成为制约世界粮食生产安全的最为主要的胁迫因子之一，据报道，平均气温每升高1℃，会造成水稻、小麦、玉米等粮食作物3%-8%左右的减产。因此挖掘高温抗性基因资源、探究植物高温响应机制以及培育抗高温作物品种成为当前亟待解决的重大科学问题。
温度是一个复杂的物理信号，植物面对环境温度变化时，需要及时有效地将这一物理信号“解码”成生物信号，从而实现对温度胁迫的快速应答。目前鉴定到的植物温度感受器多为调节植物在温暖环境下的形态变化或发育转换过程，关于植物抵抗极端高温的温度感受器还未曾被报道过。
一直以来，通过正向遗传学方法定位克隆高温抗性相关复杂数量性状基因位点(QTL)是一个具有挑战性的课题。中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队和上海交通大学林尤舜研究团队合作，经过近十年的努力，通过对大规模水稻遗传群体进行交换个体筛选和耐热表型鉴定，定位克隆到一个控制水稻高温抗性的基因位点TT3，并且终于成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3，并且阐明了其调控高温抗性的新机制。
来自非洲栽培稻(CG14)的TT3基因位点相较于来自亚洲栽培稻(WYJ)的TT3基因位点具有更强的高温抗性。通过进一步的研究发现TT3基因位点中存在两个拮抗调控水稻高温抗性的基因TT3.1和TT3.2，这为揭示复杂数量性状的分子调控机制提供了新的视角。为了了解TT3的生产应用价值，研究团队通过多代杂交回交方法把高温抗性强的非洲栽培稻TT3基因位点导入到亚洲栽培稻中，培育成了新的抗热品系即近等基因系NIL-TT3CG14。
研究团队通过转基因方法进一步验证TT3.1和TT3.2的高温抗性效果。他们发现，在抽穗期和灌浆期的高温处理条件下，NIL-TT3CG14的增产效果高于对照品系NIL-TT3WYJ的1倍左右，同时田间高温胁迫下的小区增产达到约20%。结果表明在高温胁迫下，过量表达TT3.1或敲除TT3.2也能够带来2.5倍以上的增产效果。并且在在正常田间条件下，它们对产量性状没有负面的影响。
紧接着，研究团队在机制上的进一步研究发现：细胞质膜定位的TT3.1在高温诱导下能够发生其蛋白定位的改变，从细胞表面转移至多囊泡体中，招募并泛素化细胞质中的TT3.2叶绿体前体蛋白、通过多囊泡体-液泡途径降解，从而导致进入叶绿体的成熟态TT3.2蛋白的量减少，减轻在热胁迫下TT3.2积累所造成的叶绿体损伤，实现在高温胁迫下对叶绿体的保护，从而提高水稻的高温抗性。该项研究结果表明，TT3.1可能是一个潜在的高温感受器，同时也阐明了叶绿体蛋白降解的新机制。
综上所述，该研究发现的TT3.1-TT3.2遗传模块首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来，揭示了崭新的植物响应极端高温的分子机制。同时，借助分子生物技术方法将该研究发掘的抗高温新基因TT3.1/TT3.2应用于水稻、小麦、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高温育种改良中，提高不同作物品种的高温抗性，维持其在极端高温下的产量稳定性，对于有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题具有重要意义。
(资料来源：科技日报)