生命科学学院刘建祥团队在水稻高温抗性分子机制研究与种质创新领域取得新进展

时间：2025年1月18日

来源：浙江大学生命科学学院

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随着全球气候变暖，全球平均温度每升高1℃将导致粮食作物产量损失6%-7%。此外，全球变暖引起的极端高温严重限制了植物生长和作物增产，造成水稻、小麦、玉米等粮食作物大幅减产，品质下降。当我们去海滩度假，首先想到的是凃防晒霜，避免高温和紫外线的损伤，那么植物在高温下是如何保护自己的呢？2025年1月14日，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 stres...

随着全球气候变暖，全球平均温度每升高1℃将导致粮食作物产量损失6%-7%。此外，全球变暖引起的极端高温严重限制了植物生长和作物增产，造成水稻、小麦、玉米等粮食作物大幅减产，品质下降。当我们去海滩度假，首先想到的是凃防晒霜，避免高温和紫外线的损伤，那么植物在高温下是如何保护自己的呢？

2025年1月14日，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，揭示农作物在高温下表面蜡质合成调控新途径；采用基因编辑技术创制水稻育种新材料，增加了表面蜡质积累，防止高温条件下水分过度散失。这好比给植物细胞涂了一层防晒、保水的保护膜，让植物高温下条件下更耐热，结实率、千粒重和产量显著提高。

图1：扫描电镜下水稻叶片表面蜡质

刘建祥教授团队创新了化学转录组学分析方法，采用小分子化合物处理水稻，模拟高温胁迫诱导水稻细胞蛋白质错误折叠，筛选得到一个组织特异表达和快速响应高温胁迫的负调控转录因子NAT1。该基因在短时间内受到高温的强烈诱导，在茎秆表皮和维管组织外周特异受高温诱导表达。在日本晴（NPB）背景中获得NAT1的功能缺失突变体nat1，这些突变体正常温度（30ºC）条件下与野生型对照没有明显区别，但在苗期（45ºC）和生殖期对高温胁迫（38ºC）耐受性增强，存活率、结实率、千粒重和产量显著提高。相反，NAT1的过表达材料NAT1OE则表现出对高温敏感的表型。因此，NAT1是组织特异性表达的水稻耐热性的负调控因子。

图2：NAT1在水稻表皮特异性受高温诱导

NAT1编码定位于细胞核中的转录抑制因子。通过转录组分析发现NAT1抑制蜡质生物合成相关基因的表达。进一步使用扫描电子显微镜检查了叶片的表面特征，包括角质层片状和无定形蜡晶体。在常温条件下（30ºC），NPB、nat1-1和NAT1OE-1的叶片表面被蜡晶体紧密覆盖，NAT1OE1植物的蜡密度略低。然而，在高温条件下（45ºC），与NPB植物相比，nat1-1植物的蜡结晶密度高得多，而NAT1OE-1植物的蜡晶体密度更低。气相色谱-质谱法（GC-MS）分析结果表明，与NPB植物相比，nat1-1植物中已知的蜡相关成分（包括烷烃、酯、脂肪酸和醇）的累积水平更高，而NAT1OE-1植物中蜡相关成分的含量更低。总之，NAT1在热胁迫条件下负调控水稻蜡质的生物合成和累积。

图3：NAT1负调控水稻表面蜡质累积

通过一系列的生化实验筛选与遗传学验证，该团队发现NAT1直接抑制转录因子bHLH110的表达，而bHLH110直接促进CER1/CER1L等基因的表达；bHLH110和CER1/CER1L正向调控水稻苗期和生殖期高温抗性。NAT1编码区存在自然变异，在籼梗两个高温耐热性不同的亚种间存在很强的分化，但NAT1的籼梗单倍型间并未发现有明显的功能分化，因此NAT1仍处在自然演化过程中。为了明确编辑NAT1是否能提高其他水稻品种的耐热性，促进演化进程，该团队利用基因编辑技术在另外两个水稻品种松早香（SZX）和玉珍香（YZX）背景下编辑NAT1，创制了不含转基因成分的水稻生物育种新种质，并进行了高温胁迫处理实验。结果表明，这些编辑材料在幼苗期和生殖期都表现出对高温胁迫的更大耐受性，高温条件下存活率、结实率、千粒重和产量比对照明显提高，但其它主要农艺性状基本没有变化。将SZX背景的NAT1基因编辑材料进行小规模田间实验，结果表明，基因编辑材料在结实率、千粒重和产量上均比对照材料有明显提高，但株高、分蘖数和每穗粒数上没有明显区别。这些结果显示出基因编辑NAT1位点培育耐热水稻新品种的重要潜力。