“民以食为天，食以安为先。”自20世纪80年代IPCC(政府间气候变化专门委员会)成立以来，该组织已多次发布全球变暖趋势的红色预警，明确了高温胁迫对世界粮食生产安全的危害。
据多位IPCC专家预测，全球平均气温每升高1℃，将导致主要粮食作物减产19.7%，其中小麦减产6.0%，水稻减产3.2%，玉米减产7.4%，大豆减产3.1%。到2040年，平均气温上升1.5-2.0℃，将使全球粮食减产30%-40%。
因此，挖掘耐高温基因资源，阐明耐高温的分子机理，培育耐高温作物新品种是一项紧迫的任务。
2022年6月17日，中国科学院分子植物科学卓越中心林洪轩和上海交通大学林友顺的研究团队合作，在国际顶级学术期刊《科学》上发表了题为“水稻蛋白质叶绿体中一个位点的遗传模块增强耐热性”的研究论文。该结果不仅首次揭示了由两个拮抗基因(TT3.1和TT3.2)组成的遗传模块存在于控制水稻数量性状的基因位点(TT3)中，揭示了叶绿体蛋白质降解的新机制，而且发现了第一个潜在的作物高温受体。
松江农场水稻材料本文所有图片均由中国科学院分子植物科学卓越创新中心提供。本文所有图片均由中国科学院分子植物科学卓越创新中心提供。
一直以来，利用正向遗传学挖掘控制耐高温性的数量性状基因位点是一件困难且具有挑战性的工作。
经过7年的努力(包括遗传物质的构建，耗时近10年)，研究团队终于成功分离克隆了一个新的水稻耐高温基因位点TT3，并阐明了其调控耐高温的新机制。
研究团队通过筛选交换个体，鉴定大规模水稻重组自交系的耐热表型，克隆了控制水稻耐高温的基因位点TT3。非洲栽培稻(CG14)的TT3基因座比亚洲栽培稻(WYJ)的更耐高温。通过进一步研究发现，TT3基因位点上存在拮抗和调控水稻耐高温性的两个基因TT3.1和TT3.2，为揭示复杂数量性状的分子调控机制提供了新的视角。
非洲栽培稻TT3CG14基因座和TT3.1基因的过量表达和TT3.2基因的敲除构建显著提高了高温胁迫下水稻的产量。
为了了解TT3的生产和应用价值，研究组通过多代杂交回交的方法，将耐高温性强的非洲栽培稻TT3基因位点导入亚洲栽培稻，培育出一个耐热新品系，即NIL-TT3CG14。
在抽穗期和灌浆期高温处理条件下，NIL-TT3CG14的增产效果约为对照品系NIL-TT3WYJ的1倍，田间高温胁迫下小区增产约20%。利用转基因方法进一步验证了TT3.1和TT3.2的耐高温效应，结果表明，在高温胁迫下，过量表达TT3.1或敲除TT3.2也能带来2.5倍以上的产量增加。
然而，在正常的田间条件下，它们对产量性状没有负面影响。此外，由于TT3.1和TT3.2在许多作物中是保守的，为培育耐高温的作物提供了宝贵的基因资源，具有广阔的应用前景和商业价值。
在机制上，进一步的研究发现，位于质膜中的TT3.1在高温诱导下可以改变其蛋白位置，从细胞表面转移到多囊泡中，募集并泛素化细胞质中的TT3.2叶绿体前体蛋白，并通过多囊泡-液泡降解它们，从而减少进入叶绿体的成熟TT3.2蛋白的量，减轻高温胁迫下TT3.2积累引起的叶绿体损伤，实现高温胁迫下的叶绿体保护，从而
TT3.1-TT3.2基因模块调节耐热性和产量平衡的分子机制。
这些结果表明TT3.1可能是一个潜在的高温受体，也阐明了叶绿体蛋白质降解的新机制。本研究发现的TT3.1-TT3.2遗传模块首次将植物质膜和叶绿体之间的高温响应信号联系起来，揭示了一种全新的植物响应极端高温的分子机制。
借助分子生物技术，将本研究发现的一个新的耐高温基因TT3.1/TT3.2应用于水稻、小麦、玉米、大豆和蔬菜等的育种改良。，从而提高不同作物品种的耐高温能力，维持其在极端高温下的产量稳定性，对于有效应对全球变暖带来的粮食安全问题具有重要意义。
中国科学院分子植物科学卓越与创新中心博士生张海(上海科技大学联合培养)是该论文的第一作者，林洪轩、林友顺副教授是该论文的合著者。中心的周吉福博士、阚毅博士、山博士和叶博士参加了研究工作。本工作得到了国家基金委基础科学中心项目、中科院科技先导专项(B类)、上海交通大学、岭南现代农业广东实验室等的资助。