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中國科學(xué)院院士林鴻宣

據(jù)研究，全球平均氣溫每升高1℃，會(huì)導(dǎo)致小麥減產(chǎn)6.0%，水稻減產(chǎn)3.2%，玉米減產(chǎn)7.4%，大豆減產(chǎn)3.1%。據(jù)預(yù)測，至2040年，高溫有可能使全球糧食減產(chǎn)30%~40%

高溫抗性增強(qiáng)的新品系，在高溫脅迫下的產(chǎn)量，比對(duì)照組的產(chǎn)量增加50%以上，可以維持在高溫天氣下水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性

目前我們已成功挖掘克隆了多個(gè)水稻基因，并且獲得了專利，育種家可以利用這些基因改良作物的種子。比如，可以借助分子生物技術(shù)方法將抗熱新基因TT1、TT2、TT3.1/TT3.2應(yīng)用于改良水稻、小麥、玉米以及蔬菜等作物的種子

從各種稻種種質(zhì)資源寶藏中挖掘出更多有利基因位點(diǎn)，深入揭示水稻復(fù)雜數(shù)量性狀的調(diào)控機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，搶占農(nóng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)高地，為作物分子設(shè)計(jì)育種提供新的基因資源和新知識(shí)，為我國種業(yè)振興和保障我國糧食安全作貢獻(xiàn)

文 |《瞭望》新聞周刊記者 張建松

民以食為天。面對(duì)全球氣候變暖，如何用科學(xué)手段保障糧食安全？

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣院士，長期面向農(nóng)業(yè)發(fā)展這一重大戰(zhàn)略需要，選擇重大科學(xué)問題作為主攻方向，率先在水稻抗逆復(fù)雜性狀（抗高溫、抗旱、耐鹽）、產(chǎn)量復(fù)雜性狀的基因挖掘及分子遺傳調(diào)控機(jī)理研究領(lǐng)域，取得了一系列有國際水平的突破性成果。

經(jīng)過長達(dá)近10年努力，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)最新的一項(xiàng)研究成果是，在國際上成功發(fā)現(xiàn)第一個(gè)潛在的農(nóng)作物“高溫感受器”。今后，可借助分子生物技術(shù)方法，將這項(xiàng)研究挖掘的抗高溫新基因，應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等農(nóng)作物的抗高溫育種改良中，提高不同作物品種的高溫抗性，維持其在極端高溫下的產(chǎn)量穩(wěn)定性。這對(duì)于有效應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題具有重要意義。

氣候變暖加劇糧食安全問題

《瞭望》：全球氣候變暖，重要的農(nóng)作物會(huì)受到什么影響？

林鴻宣：隨著溫室氣體排放積累增加，全球氣候變暖速度加快，極端高溫天氣頻繁發(fā)生。以中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心所在的上海為例，據(jù)上海中心氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì)，截至今年8月5日，上海35℃以上的高溫天數(shù)累計(jì)已達(dá)32天，為近30年以來歷史同期最多。其中，40℃及以上的高溫酷暑日已有4天。

這樣的高溫天氣，無論是對(duì)人類的生活還是對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)均造成危害。因?yàn)?，?dāng)氣溫高出38℃時(shí)，會(huì)抑制許多作物包括水稻、玉米、小麥等的生長，特別是會(huì)降低許多作物的花粉育性，從而引起結(jié)實(shí)率下降，造成作物產(chǎn)量大幅度減少。同時(shí)，還會(huì)引起作物灌漿不實(shí)、籽粒不飽滿，使谷物品質(zhì)顯著降低。因此，高溫脅迫（溫度升高至植物適宜范圍最高點(diǎn)產(chǎn)生的對(duì)植物的能量代謝、生長發(fā)育的脅迫現(xiàn)象）加劇了世界糧食生產(chǎn)安全問題。

據(jù)研究，全球平均氣溫每升高1℃，會(huì)導(dǎo)致小麥減產(chǎn)6.0%，水稻減產(chǎn)3.2%，玉米減產(chǎn)7.4%，大豆減產(chǎn)3.1%。據(jù)預(yù)測，至2040年，高溫有可能使全球糧食減產(chǎn)30%~40%。同時(shí)，隨著人口的持續(xù)增加，糧食需求呈剛性增長，全球氣候變暖對(duì)未來農(nóng)業(yè)發(fā)展勢(shì)必帶來巨大挑戰(zhàn)。

《瞭望》：能否介紹你應(yīng)對(duì)氣候變暖保證糧食生產(chǎn)的研究思路？

林鴻宣：為了解決全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題這一重大戰(zhàn)略需求，我們需要從科學(xué)研究中尋找解決方案。

綜合應(yīng)用現(xiàn)代遺傳學(xué)、基因組學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、植物生理學(xué)等先進(jìn)方法和技術(shù)，從豐富的稻種資源包括野生稻、亞洲稻地方品種、非洲稻等種質(zhì)資源中，挖掘鑒定出控制水稻抗高溫、耐鹽、抗旱性狀及高產(chǎn)性狀的基因位點(diǎn)，闡明它們的功能與調(diào)控機(jī)制，為培育抗逆性強(qiáng)、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的作物品種提供優(yōu)異基因資源和理論基礎(chǔ)，為有效應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題提供技術(shù)支撐和技術(shù)儲(chǔ)備。

分離克隆多個(gè)控制水稻復(fù)雜性狀的基因

《瞭望》：請(qǐng)具體介紹一下你們團(tuán)隊(duì)這些年來的主要科研成果。

林鴻宣：作物許多性狀，包括抗高溫、耐鹽、抗旱等抗逆性狀和產(chǎn)量性狀，是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，遺傳調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，研究難度大，具有挑戰(zhàn)性。

我們研究團(tuán)隊(duì)從2001年組建起，二十多年來，一直選擇水稻抗逆復(fù)雜性狀（抗高溫、耐鹽、抗旱）、產(chǎn)量復(fù)雜性狀的基因挖掘及分子遺傳調(diào)控機(jī)理研究作為主攻方向，在該領(lǐng)域取得一系列突破性成果。

我們首次成功分離克隆了多個(gè)控制水稻復(fù)雜性狀的“重量級(jí)”基因，如抗高溫基因（TT1、TT2、TT3）、耐鹽基因（SKC1、HAL3）、抗旱基因（DST、DCA1）、粒型基因（GW2、GL3.1、GSN1、GW6、GSA1、GS3.1）、穗型基因（GNP1、ER1）、株型基因（PROG1）、生殖隔離基因(Hwi1、Hwi2)等，并深入闡明了復(fù)雜性狀的遺傳調(diào)控機(jī)理。不僅有理論創(chuàng)新，還有應(yīng)用前景。

目前，我們團(tuán)隊(duì)擁有15項(xiàng)基因授權(quán)發(fā)明專利，為我國搶占農(nóng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)高地、改良作物和保障糧食安全，提供了珍貴的基因資源。我們?cè)S多成果都已發(fā)表在國際權(quán)威期刊雜志，還獲得了國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，在國內(nèi)外產(chǎn)生較大影響。

發(fā)現(xiàn)首個(gè)潛在農(nóng)作物“高溫感受器”

《瞭望》：你們的最新一項(xiàng)研究，在國際上成功發(fā)現(xiàn)第一個(gè)潛在的農(nóng)作物“高溫感受器”。該項(xiàng)研究的重要之處在哪里？

林鴻宣：我們團(tuán)隊(duì)以解決水稻高溫抗性的問題作為長期的主要研究方向之一。要想挖掘水稻抗高溫基因，首先需要從研究材料入手。

非洲稻長期適應(yīng)高溫環(huán)境，蘊(yùn)藏著珍貴的抗高溫基因。二十年前，我們就選擇了高溫抗性強(qiáng)的非洲稻作為研究材料，創(chuàng)建遺傳群體材料，采用遺傳學(xué)、基因組學(xué)等技術(shù)方法，對(duì)大量的基因型數(shù)據(jù)和抗熱表型數(shù)據(jù)進(jìn)行多世代、多年的大規(guī)模分析，終于從非洲稻基因組里的幾萬個(gè)基因中，挖掘出抗高溫的關(guān)鍵基因，這如同“大海撈針”。

接下來，通過分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、植物生理學(xué)等技術(shù)方法，對(duì)所挖掘到的抗高溫基因開展功能與作用機(jī)理研究，闡明水稻抗高溫基因TT1、TT2、TT3調(diào)控抗高溫性狀的分子遺傳調(diào)控新機(jī)制。

我們還通過多代回交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，把這些來自非洲稻的抗高溫基因位點(diǎn)導(dǎo)入到亞洲稻推廣品種中，培育成高溫抗性增強(qiáng)的新品系。在高溫脅迫下的產(chǎn)量，比對(duì)照組的產(chǎn)量增加50%以上，可以維持在高溫天氣下水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性。因此，既有理論意義又有應(yīng)用價(jià)值。

如果說我們的研究有獨(dú)到之處，那首先在于選擇了非洲稻作為研究材料。選對(duì)了研究材料，這是研究成功的關(guān)鍵第一步；研究開始的時(shí)候，做好實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、下功夫和時(shí)間把遺傳群體材料創(chuàng)制好，這是研究的基礎(chǔ)。

做作物抗高溫研究，工作量大、難度大、周期長，需要有腦力、毅力、耐力，貴在堅(jiān)持，不斷克服困難，才能最終取得成功。我的學(xué)生厲新民博士、闞義博士、張海博士等年輕人，在研究水稻抗高溫工作中表現(xiàn)都非常突出，他們奮戰(zhàn)了7年的時(shí)間，終于在水稻抗高溫基因TT1、TT2、TT3的研究中取得了突破性成果。

最近，我們成功分離克隆了水稻高溫抗性新基因位點(diǎn)TT3，該成果不僅首次揭示了在一個(gè)控制水稻數(shù)量性狀的基因位點(diǎn)（TT3）上，存在由兩個(gè)拮抗的基因（TT3.1和TT3.2）組成的遺傳模塊調(diào)控水稻高溫抗性的新機(jī)制，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)潛在的作物“高溫感受器”。

我們首次發(fā)現(xiàn)TT3.1—TT3.2遺傳模塊，能將植物細(xì)胞質(zhì)膜與葉綠體之間的高溫響應(yīng)信號(hào)聯(lián)系起來，這揭示了嶄新的植物響應(yīng)極端高溫的分子機(jī)制；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，定位于細(xì)胞質(zhì)膜的TT3.1作為潛在的“高溫感受器”，能感知外界的高溫信號(hào)，并將高溫物理信號(hào)“解碼”成生物信號(hào)，傳遞給葉綠體前體蛋白TT3.2，并通過液泡途徑降解葉綠體前體蛋白TT3.2，從而在高溫下保護(hù)葉綠體免受熱傷害，提高水稻的高溫抗性。

TT3.1—TT3.2遺傳模塊調(diào)控抗熱與產(chǎn)量平衡的分子機(jī)理 中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心供圖

目前的研究還只是“冰山一角”

《瞭望》：你今后計(jì)劃如何進(jìn)一步開展研究？

林鴻宣：民以食為天，食以安為先。

目前，我們已成功挖掘克隆了多個(gè)水稻基因，并且獲得了專利，育種家可以利用這些基因改良作物的種子。比如，可以借助分子生物技術(shù)方法將抗熱新基因TT1、TT2、TT3.1/TT3.2應(yīng)用于改良水稻、小麥、玉米以及蔬菜等作物的種子，提高作物品種的抗熱性，維持在極端高溫天氣下作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性，對(duì)于有效應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問題具有廣泛的應(yīng)用前景。

經(jīng)過中外科學(xué)家的共同努力，我們已經(jīng)克隆了一批水稻重要基因。但水稻基因組有幾萬個(gè)基因，目前的研究只是“冰山一角”，還有許多重要的基因位點(diǎn)等待我們?nèi)ネ诰虺鰜?。此外，關(guān)于作物復(fù)雜數(shù)量性狀的調(diào)控機(jī)制也還了解甚少。

今后，我們將繼續(xù)從各種稻種種質(zhì)資源寶藏中挖掘出更多有利基因位點(diǎn)，深入揭示水稻復(fù)雜數(shù)量性狀的調(diào)控機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，不斷吸收新技術(shù)新方法，加快研究進(jìn)度，搶占農(nóng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)高地，為作物分子設(shè)計(jì)育種提供新的基因資源和新知識(shí)，為我國種業(yè)振興和保障我國糧食安全作貢獻(xiàn)?！?/p>