北京時間4月30日，國際期刊《細胞》(Cell)發表了華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、生命科學技術學院、湖北洪山實驗室水稻團隊李一博教授課題組題為“一個天然的基因開關系統協同賦予水稻品質和產量田間耐熱性”(A natural gene on-off system confers field thermotolerance for grain quality and yield in rice)的研究論文。

　　該研究首次揭示了水稻對抗高溫的秘密武器——基因QT12。它如同作物內置天然“空調系統”，調節水稻耐高溫機制。當高溫來襲，QT12自然變異與NF-Y蛋白復合體形成的初級-次級“雙生鎖”，鎖住高溫開關系統，既平衡了儲藏蛋白與淀粉的合成穩態，又穩定了稻米品質和產量，為水稻在高溫環境下的同時實現優質高產提供了全新的分子機制和綠色發展的育種策略。

　　遇熱則強：克隆首個品質與產量協同耐自然高溫“基因開關”

　　近20年來，全球氣候變化導致極端高溫天氣頻發，嚴重威脅全球農業生產，對糧食作物產量和品質的影響尤為突出。多國農業模型分析及統計數據表明，全球平均氣溫每升高1℃，將直接導致水稻產量減少6.6%–25%，同時伴隨稻米品質的嚴重劣化，給世界糧食安全帶來嚴峻挑戰。幾個世紀以來，培育優質高產作物一直是農民和育種者的目標，但人們對高溫促進堊白外觀品質形成、食味降低的分子遺傳基礎認識非常有限。

水稻品質耐熱種質鑒定及其QTL主效位點QT12的克隆

　　在這項研究中，經過長達10余年的灌漿期田間自然高溫抗性種質的大量篩選和鑒定，研究團隊利用自主研發的快速、高通量克隆作物重要農藝性狀功能基因的RapMap方法(Zhang et al. NC, 2021)，從大田耐熱水稻種質中克隆到首個調控品質耐高溫的主效QTL基因QT12，該基因同時表現出優異的產量耐熱性。這一發現突破了傳統溫室篩選、苗期鑒定方法不能反映真實環境的局限，解決了長期困擾科學界的“耐高溫表型難鑒定、耐高溫基因難應用”的瓶頸問題。

　　機制揭秘：找到高溫初級-次級“雙生鎖”

　　研究團隊進一步發現，胚乳特異表達的核因子NF-YA8、NF-YB9與NF-YC10形成一個復合體差異結合到QT12啟動子CCAAT-box元件的G/A變異上，對QT12表達和耐熱性進行差異調控。該自然變異(初級開關)與NF-Y亞基間獨特的抑制性調控機制(次級開關)形成了一個天然的基因開關系統：QT12啟動子區域關鍵的G/A功能性變異，作為“初級開關”直接決定NF-YA8對QT12激活的開/關(第一層鎖);而高溫則作為“次級開關”的推動器，釋放了NF-YB9和NF-YC10對NF-YA8激活QT12的抑制，從而打開了次級開關(第二層鎖)。當二級開關同時打開(“雙生鎖”同時打開)，高溫信號就能順利傳遞并激活QT12的表達，通過抑制UPR感受器IRE1而過度激活UPR及UPR激活的bZIP60、bZIP50等轉錄因子，進而抑制儲藏蛋白合成基因的表達和激活淀粉合成基因的表達，從而打破儲藏蛋白與淀粉的穩態，最終實現高溫敏感性。

NF-Ys-QT12分子模塊調控水稻品質耐熱性的工作機制

　　而QT12功能變異處為A時不能被該NF-Ys復合體識別，“雙生鎖”鎖住該開關系統，進而對高溫的響應不敏感，從而維持儲藏物質的穩態，最終實現高溫抗性。這個NF-Ys-QT12分子模塊形成的二級開關系統的復雜調控機制，揭示了高溫信號傳導的差異分子機制。

　　理論創新：發現性狀調控單倍型(TRHs)模型

　　研究發現，QT12基因及其上游調控因子NF-YA8、NF-YB9、NF-YC10均為秈粳分化基因，雖然它們位于不同染色體上，但在秈稻和粳稻中呈現顯著的協同分化或共選擇特征，進而形成了具有上位性效應的不同單倍型組合。因此，研究團隊基于該NF-Ys-QT12基因開關系統的單倍型組合首次提出了性狀調控單倍型(TRHs)這一遺傳學新概念，該概念揭示了水稻秈稻與粳稻兩個亞種間耐熱性差異的分子基礎。

性狀調控單倍型(TRHs)對秈粳分化有很大貢獻

　　這些TRHs組合能夠精確和多樣化調控該天然基因開關系統的活性，從而導致秈稻與秈稻、秈稻與粳稻在耐高溫性、品質和產量上的顯著差異。這一遺傳學概念的提出為充分解析作物重要性狀遺傳多樣性的分子調控網絡提供了新視角，有望為高效分子育種提供策略參考。

　　打破魔咒：攻克“高產不優質”的技術瓶頸

　　長江流域是我國第一大水稻主產區，種植面積和年產量均約占全國總量的三分之二，然而近10年來該稻區極端高溫天氣頻發，給水稻穩產與優質帶來了嚴峻挑戰。然而，QT12基因的研究為這一難題帶來了突破性解決方案。通過2023和2024年武漢、杭州和長沙等長江流域極端高溫下的大規模田間試驗，低表達QT12基因在高溫環境下表現出很強的耐熱性：與野生型相比，CRISPR編輯的QT12基因突變株系在武漢、杭州和長沙的小區產量分別提升了92.5%、64.1%和54.7%，同時顯著降低了稻米堊白率和堊白度，提升了稻米外觀品質和食味品質。

低表達QT12協同提高籽粒品質和產量耐熱性

　　此外，QT12基因導入到雜交稻配組最多的主栽品種“華占”中的應用也取得了顯著成效。與“華占”相比，在高溫下其結實率、單株產量和稻米品質均明顯提升，導致小區產量分別增加了49.1%、77.9%和31.2%;改良品系的稻米儲藏物質營養更加均衡、外觀品質晶瑩剔透、米飯食味性好，進一步驗證了其在高溫環境下優質、高產、抗高溫的綜合育種實力。

　　前景廣闊：助力中國和全球糧食安全

　　該研究成功打破了作物在逆境-生長與產量-品質之間的權衡瓶頸，為多位院士專家最近提倡的“綠色營養超級稻”育種提供了強有力的功能基因、優良種質等技術支撐，可有效保障國家糧食安全。同時，該成果解釋了秈稻與粳稻兩個亞種間的耐熱性差異，對我國南北方水稻品種遺傳改良具有普遍意義和廣闊應用前景。

　　全球氣候變暖導致的極端高溫天氣已嚴重威脅到主要糧食作物的產量和品質。中國科學院林鴻宣院士、曹曉風院士、種康院士、劉耀光院士、張啟發院士，中國工程院張獻龍院士對研究成果給予肯定，他們表示，該研究不僅填補了作物灌漿期籽粒品質高溫耐受性領域的科學空白，還為解決全球糧食安全與農業可持續綠色發展問題提供了全新解決方案。

　　秉持科技創新與產業創新融合發展理念，利用“邊研究、邊開發、邊應用”的新型產學研合作模式，研發團隊在未發表成果之前就已與隆平高科、安徽荃銀、北京金色農華、湖北荃銀、揚子江種業等多家國內龍頭企業達成轉化開發意向協議，以期更早將研發成果普遍應用于水稻育種實踐。

　　華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、生命科學技術學院、湖北洪山實驗室李一博教授為該論文的通訊作者，李一博團隊博士研究生李威為該論文的第一作者。楊柯、胡超凡、Ali、張建、許鵬坤、程波、張俊成、殷文晶、Abd、呂慶亞和李秉辰參與了研究。張啟發、熊立仲、何予卿、賴雪雷、曲良煥、周道繡、郭建平、何光存等學者提供了有價值的討論和修改。陳忱、張健、李莉、張桂蓮等學者在田間試驗提供了幫助。本研究得到了科技創新2030—生物育種重大項目、國家農業重大科技項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金聯合基金重點項目、湖北洪山實驗室等項目的支持。