中国科学院院士林鸿宣：提高作物抗高温性能
◆ 据研究，全球平均气温每升高1℃，会导致小麦减产6.0%，水稻减产3.2%，玉米减产7.4%，大豆减产3.1%。据预测，至2040年，高温有可能使全球粮食减产30%~40%
◆ 高温抗性增强的新品系，在高温胁迫下的产量，比对照组的产量增加50%以上，可以维持在高温天气下水稻产量的稳定性
◆ 目前我们已成功挖掘克隆了多个水稻基因，并且获得了专利，育种家可以利用这些基因改良作物的种子。比如，可以借助分子生物技术方法将抗热新基因TT1、TT2、TT3.1/TT3.2应用于改良水稻、小麦、玉米以及蔬菜等作物的种子
◆ 从各种稻种种质资源宝藏中挖掘出更多有利基因位点，深入揭示水稻复杂数量性状的调控机制和调控网络，抢占农业知识产权高地，为作物分子设计育种提供新的基因资源和新知识，为我国种业振兴和保障我国粮食安全作贡献
民以食为天。面对全球气候变暖，如何用科学手段保障粮食安全？
中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士，长期面向农业发展这一重大战略需要，选择重大科学问题作为主攻方向，率先在水稻抗逆复杂性状（抗高温、抗旱、耐盐）、产量复杂性状的基因挖掘及分子遗传调控机理研究领域，取得了一系列有国际水平的突破性成果。
经过长达近10年努力，他带领科研团队最新的一项研究成果是，在国际上成功发现第一个潜在的农作物“高温感受器”。今后，可借助分子生物技术方法，将这项研究挖掘的抗高温新基因，应用于水稻、小麦、玉米、大豆以及蔬菜等农作物的抗高温育种改良中，提高不同作物品种的高温抗性，维持其在极端高温下的产量稳定性。这对于有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题具有重要意义。
气候变暖加剧粮食安全问题
《瞭望》：全球气候变暖，重要的农作物会受到什么影响？
林鸿宣：随着温室气体排放积累增加，全球气候变暖速度加快，极端高温天气频繁发生。以中国科学院分子植物科学卓越创新中心所在的上海为例，据上海中心气象台统计，截至今年8月5日，上海35℃以上的高温天数累计已达32天，为近30年以来历史同期最多。其中，40℃及以上的高温酷暑日已有4天。
这样的高温天气，无论是对人类的生活还是对农作物的生产均造成危害。因为，当气温高出38℃时，会抑制许多作物包括水稻、玉米、小麦等的生长，特别是会降低许多作物的花粉育性，从而引起结实率下降，造成作物产量大幅度减少。同时，还会引起作物灌浆不实、籽粒不饱满，使谷物品质显著降低。因此，高温胁迫（温度升高至植物适宜范围最高点产生的对植物的能量代谢、生长发育的胁迫现象）加剧了世界粮食生产安全问题。
据研究，全球平均气温每升高1℃，会导致小麦减产6.0%，水稻减产3.2%，玉米减产7.4%，大豆减产3.1%。据预测，至2040年，高温有可能使全球粮食减产30%~40%。同时，随着人口的持续增加，粮食需求呈刚性增长，全球气候变暖对未来农业发展势必带来巨大挑战。
《瞭望》：能否介绍你应对气候变暖保证粮食生产的研究思路？
林鸿宣：为了解决全球气候变暖引发的粮食安全问题这一重大战略需求，我们需要从科学研究中寻找解决方案。
综合应用现代遗传学、基因组学、分子生物学、细胞生物学、植物生理学等先进方法和技术，从丰富的稻种资源包括野生稻、亚洲稻地方品种、非洲稻等种质资源中，挖掘鉴定出控制水稻抗高温、耐盐、抗旱性状及高产性状的基因位点，阐明它们的功能与调控机制，为培育抗逆性强、稳产高产的作物品种提供优异基因资源和理论基础，为有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题提供技术支撑和技术储备。
分离克隆多个控制水稻复杂性状的基因
《瞭望》：请具体介绍一下你们团队这些年来的主要科研成果。
林鸿宣：作物许多性状，包括抗高温、耐盐、抗旱等抗逆性状和产量性状，是由多基因控制的复杂数量性状，遗传调控机制复杂，研究难度大，具有挑战性。
我们研究团队从2001年组建起，二十多年来，一直选择水稻抗逆复杂性状（抗高温、耐盐、抗旱）、产量复杂性状的基因挖掘及分子遗传调控机理研究作为主攻方向，在该领域取得一系列突破性成果。
我们首次成功分离克隆了多个控制水稻复杂性状的“重量级”基因，如抗高温基因（TT1、TT2、TT3）、耐盐基因（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）、生殖隔离基因(Hwi1、Hwi2)等，并深入阐明了复杂性状的遗传调控机理。不仅有理论创新，还有应用前景。
目前，我们团队拥有15项基因授权发明专利，为我国抢占农业知识产权高地、改良作物和保障粮食安全，提供了珍贵的基因资源。我们许多成果都已发表在国际权威期刊杂志，还获得了国家自然科学奖二等奖、上海市自然科学奖一等奖，在国内外产生较大影响。
发现首个潜在农作物“高温感受器”
《瞭望》：你们的最新一项研究，在国际上成功发现第一个潜在的农作物“高温感受器”。该项研究的重要之处在哪里？
林鸿宣：我们团队以解决水稻高温抗性的问题作为长期的主要研究方向之一。要想挖掘水稻抗高温基因，首先需要从研究材料入手。
非洲稻长期适应高温环境，蕴藏着珍贵的抗高温基因。二十年前，我们就选择了高温抗性强的非洲稻作为研究材料，创建遗传群体材料，采用遗传学、基因组学等技术方法，对大量的基因型数据和抗热表型数据进行多世代、多年的大规模分析，终于从非洲稻基因组里的几万个基因中，挖掘出抗高温的关键基因，这如同“大海捞针”。
接下来，通过分子生物学、细胞生物学、植物生理学等技术方法，对所挖掘到的抗高温基因开展功能与作用机理研究，阐明水稻抗高温基因TT1、TT2、TT3调控抗高温性状的分子遗传调控新机制。
我们还通过多代回交结合分子标记辅助选择技术，把这些来自非洲稻的抗高温基因位点导入到亚洲稻推广品种中，培育成高温抗性增强的新品系。在高温胁迫下的产量，比对照组的产量增加50%以上，可以维持在高温天气下水稻产量的稳定性。因此，既有理论意义又有应用价值。
如果说我们的研究有独到之处，那首先在于选择了非洲稻作为研究材料。选对了研究材料，这是研究成功的关键第一步；研究开始的时候，做好实验设计、下功夫和时间把遗传群体材料创制好，这是研究的基础。
做作物抗高温研究，工作量大、难度大、周期长，需要有脑力、毅力、耐力，贵在坚持，不断克服困难，才能最终取得成功。我的学生厉新民博士、阚义博士、张海博士等年轻人，在研究水稻抗高温工作中表现都非常突出，他们奋战了7年的时间，终于在水稻抗高温基因TT1、TT2、TT3的研究中取得了突破性成果。
最近，我们成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3，该成果不仅首次揭示了在一个控制水稻数量性状的基因位点（TT3）上，存在由两个拮抗的基因（TT3.1和TT3.2）组成的遗传模块调控水稻高温抗性的新机制，同时发现了第一个潜在的作物“高温感受器”。
我们首次发现TT3.1—TT3.2遗传模块，能将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来，这揭示了崭新的植物响应极端高温的分子机制；同时发现，定位于细胞质膜的TT3.1作为潜在的“高温感受器”，能感知外界的高温信号，并将高温物理信号“解码”成生物信号，传递给叶绿体前体蛋白TT3.2，并通过液泡途径降解叶绿体前体蛋白TT3.2，从而在高温下保护叶绿体免受热伤害，提高水稻的高温抗性。
TT3.1—TT3.2遗传模块调控抗热与产量平衡的分子机理 中科院分子植物科学卓越创新中心供图
目前的研究还只是“冰山一角”
《瞭望》：你今后计划如何进一步开展研究？
林鸿宣：民以食为天，食以安为先。
目前，我们已成功挖掘克隆了多个水稻基因，并且获得了专利，育种家可以利用这些基因改良作物的种子。比如，可以借助分子生物技术方法将抗热新基因TT1、TT2、TT3.1/TT3.2应用于改良水稻、小麦、玉米以及蔬菜等作物的种子，提高作物品种的抗热性，维持在极端高温天气下作物产量的稳定性，对于有效应对全球气候变暖引发的粮食安全问题具有广泛的应用前景。
经过中外科学家的共同努力，我们已经克隆了一批水稻重要基因。但水稻基因组有几万个基因，目前的研究只是“冰山一角”，还有许多重要的基因位点等待我们去挖掘出来。此外，关于作物复杂数量性状的调控机制也还了解甚少。
今后，我们将继续从各种稻种种质资源宝藏中挖掘出更多有利基因位点，深入揭示水稻复杂数量性状的调控机制和调控网络，不断吸收新技术新方法，加快研究进度，抢占农业知识产权高地，为作物分子设计育种提供新的基因资源和新知识，为我国种业振兴和保障我国粮食安全作贡献。
刊于《瞭望》2022年第33期
延伸阅读