中国科学家发现潜在“后绿色革命”水稻基因，水稻基因研究助力应对粮食安全与农业发展

中国科学家通过大规模筛选鉴定水稻遗传材料，定位克隆出两个耐碱 - 热QTLs基因ATT1和ATT2，重点介绍其中的ATT2有望成为“后绿色革命”基因，阐述研究成果对提高水稻产量、应对粮食安全和农业可持续发展的重要意义。

通过对超过3万株水稻遗传材料进行大规模的交换个体筛选以及耐碱、耐热表型鉴定工作，我国科学家成功定位克隆出了两个水稻耐碱 - 热QTLs基因，这两个基因分别为ATT1和ATT2。其中，ATT2这个基因非常有潜力，有望成为一个潜在的“后绿色革命”基因。根据上海交通大学1月31日发布的消息，在北京时间2025年1月30日凌晨的时候，上海交通大学林尤舜研究团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队合作，在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表了一篇名为“Fine - tuning gibberellin improves rice alkali - thermal tolerance and yield”的研究论文。此项成果提出了一个非常创新的概念，那就是精准调控赤霉素到最佳的中等水平是同时提高水稻碱 - 热胁迫耐受性和产量的关键所在。研究发现ATT2这个基因能够将赤霉素微调至最佳中等水平，这样就可以进一步同时提高半矮秆绿色革命水稻品种的碱 - 热耐受性和产量。研究团队表示，这些新的发现为应对全球气候变化所引发的粮食安全问题提供了全新的策略，对于盐碱地的开发利用以及未来农业的可持续发展有着极为重要的意义。从研究结果来看，精准调控赤霉素能够显著增加水稻在正常条件、碱胁迫和高温胁迫下的产量。在这项研究中，科研人员对3万多株水稻遗传材料进行大规模的交换个体筛选和耐碱、耐热表型鉴定后，最终定位克隆到了两个耐碱 - 热的QTLs基因ATT1和ATT2。ATT1/Sd1和ATT2/GNP1属于一对同源基因，它们编码GA20氧化酶，参与到活性赤霉素合成的控制过程当中。进一步的分子机理研究表明，高浓度的活性赤霉素会使得SLR1（DELLA）蛋白的积累量减少，过氧化物酶活性以及活性氧清除酶基因表达量也会降低，在碱、热胁迫的情况下，就会引起活性氧（ROS）的过量积累，从而让水稻表现出对碱 - 热胁迫敏感的表型。而低浓度的活性赤霉素会增加SLR1蛋白的积累，并且会与NGR5相互作用，通过NGR5 - LC2介导的组蛋白甲基化（H3K27me3），抑制耐盐碱胁迫（OsNAAT1等）和耐热胁迫基因（OsHsfA2d等）的表达，这样水稻同样也会表现出对碱 - 热胁迫敏感的表型。然而，当活性赤霉素处于中等浓度水平的时候，SLR1蛋白的含量也处于中等，此时能够平衡ROS与H3K27me3甲基化水平，使得水稻表现出很强的碱 - 热胁迫抗性。值得注意的是，研究团队发现ATT2的功能要比ATT1弱一些，所以它更适合通过生物工程的方法来实现对赤霉素的精准调控，进而进一步提高半矮秆绿色革命水稻品种的抗逆性和产量，这也是ATT2有望成为一个潜在的“后绿色革命”基因的原因。在上海松江农场，那里有pH值达到9的高碱性土壤，种植的水稻生长情况显示，含有中等浓度活性赤霉素的水稻株系其耐碱性比较强（右边）。总的来说，这项研究发现了两个水稻耐碱 - 热QTLs基因ATT1和ATT2，它们能够控制赤霉素（GA）的合成，通过调控SLR1蛋白的丰度来调节ROS和H3K27me3的水平，以此来响应碱 - 热胁迫。这项研究还发现，通过精准调控水稻品种的活性赤霉素至中等水平，可以最大程度地减少环境胁迫对产量造成的损失。在此基础上，研究提出了两种将赤霉素微调至中等水平的方法：第一种方法是通过对可能的“后绿色革命”基因ATT2进行遗传工程改良，以此来提高ATT2的表达量或者增强ATT2的功能；第二种方法是外源施加适量的植物生长调节剂（赤霉素“920”）。这些方法有望在水稻、小麦、玉米等主粮作物的育种改良过程中发挥重要的作用，不但能够提高作物的抗逆性，维持其在盐碱、高温等不利环境下的产量稳定，还可以在正常的田间条件下进一步提高谷物的产量。这些研究结果为育种家培育“高产高抗”作物新品种提供了重要的理论依据，同时也为大面积盐碱地的开发利用提供了新的策略。中国科学院分子植物科学卓越创新中心已经毕业的博士研究生郭双琴（现为上海交通大学博士后）和博士研究生陈亚鑫是这篇论文的第一作者，林鸿宣研究员和上海交通大学林尤舜副教授为本文的通讯作者。该中心的单军祥正高级工程师、叶汪薇高级实验师和董乃乾副研究员等也参与了这项研究工作。这项工作得到了农业生物育种国家科技重大专项、国家基金委基础科学中心项目、国家重点研发项目、上海交通大学“2030”项目、上海市现代种业协同创新中心、岭南现代农业广东省实验室等的资助。

中国科学家在水稻耐碱 - 热基因研究方面取得重要成果，定位克隆出ATT1和ATT2基因，尤其是ATT2有望成为“后绿色革命”基因。研究揭示了基因调控赤霉素影响水稻碱 - 热胁迫耐受性和产量的分子机理，提出精准调控赤霉素至中等水平的方法，这些成果对主粮作物育种改良、应对粮食安全和盐碱地开发利用意义重大。