華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院和湖北洪山實(shí)驗(yàn)室水稻團(tuán)隊(duì)李一博教授課題組，經(jīng)過數(shù)年研究，發(fā)現(xiàn)了水稻對(duì)抗高溫的關(guān)鍵基因QT12。這個(gè)基因如同水稻內(nèi)置的天然“空調(diào)系統(tǒng)”，可以保證水稻在高溫下的產(chǎn)量和品質(zhì)。這項(xiàng)研究成果于4月30日在國際權(quán)威期刊《細(xì)胞》上發(fā)表。

該研究首次揭示了水稻對(duì)抗高溫的奧秘武器——基因QT12?？蒲腥藛T利用大規(guī)模田間自然高溫鑒定的稀有抗性種質(zhì)進(jìn)行大量遺傳分析，發(fā)現(xiàn)了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵基因QT12。其作用機(jī)制類似于古法淬火工藝：當(dāng)高溫來襲時(shí)，QT12自然變異與NF-Y蛋白復(fù)合體形成的初級(jí)-次級(jí)“雙生鎖”鎖住高溫開關(guān)系統(tǒng)，既平衡了儲(chǔ)藏蛋白與淀粉的合成穩(wěn)態(tài)，又穩(wěn)定了稻米品質(zhì)和產(chǎn)量，為水稻在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供了全新的分子機(jī)制和綠色發(fā)展的育種策略。

近20年來，全球氣候變化導(dǎo)致極端高溫天氣頻發(fā)，嚴(yán)重威脅全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)糧食作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響尤為突出。研究表明，全球平均氣溫每升高1℃，將直接導(dǎo)致水稻產(chǎn)量減少6.6%至25%，同時(shí)伴隨稻米品質(zhì)的嚴(yán)重劣化，對(duì)世界糧食安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)研究中，經(jīng)過長達(dá)10余年的灌漿期田間自然高溫抗性種質(zhì)的篩選和鑒定，研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的快速、高通量克隆作物重要農(nóng)藝性狀功能基因的RapMap方法，從大田耐熱水稻種質(zhì)中克隆到首個(gè)調(diào)控品質(zhì)耐高溫的主效QTL基因QT12。這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)溫室篩選、苗期鑒定方法不能反映真實(shí)環(huán)境的局限，解決了長期困擾科學(xué)界的“耐高溫表型難鑒定、耐高溫基因難應(yīng)用”的瓶頸問題。

長江流域是我國第一大水稻主產(chǎn)區(qū)，種植面積和年產(chǎn)量均約占全國總量的三分之二。然而，近10年來該稻區(qū)極端高溫天氣頻發(fā)，給水稻穩(wěn)產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。QT12基因的研究為這一難題帶來了突破性解決方案。通過2023年和2024年武漢、杭州和長沙等長江流域極端高溫下的大規(guī)模田間試驗(yàn)，低表達(dá)QT12基因在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐熱性。CRISPR編輯的QT12基因突變株系在這些地區(qū)的小區(qū)產(chǎn)量顯著提升，同時(shí)顯著降低了稻米堊白率和堊白度，提升了稻米外觀品質(zhì)和食味品質(zhì)。此外，QT12基因?qū)氲诫s交稻配組最多的主栽品種“華占”中的應(yīng)用也取得了顯著成效，高溫下其結(jié)實(shí)率、單株產(chǎn)量和稻米品質(zhì)均明顯提升。該研究成功打破了作物在逆境-生長與產(chǎn)量-品質(zhì)之間的權(quán)衡瓶頸，為多位院士專家提倡的“綠色營養(yǎng)超級(jí)稻”育種提供了強(qiáng)有力的功能基因和技術(shù)支撐，可有效保障國家和世界糧食安全。

李一博教授表示，全球氣候變暖導(dǎo)致的極端高溫天氣已嚴(yán)重威脅主要糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。他強(qiáng)調(diào)，該成果揭示了水稻在自然高溫環(huán)境下協(xié)同實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的全新分子機(jī)制和育種策略，不僅填補(bǔ)了作物籽粒灌漿期品質(zhì)高溫耐受性領(lǐng)域的科學(xué)空白，還為解決全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展問題提供了重要理論依據(jù)和技術(shù)支持。

這項(xiàng)研究得到了多個(gè)項(xiàng)目的支持，包括科技創(chuàng)新2030—生物育種重大項(xiàng)目、國家農(nóng)業(yè)重大科技項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及湖北洪山實(shí)驗(yàn)室等。