华中农大揭示水稻基因QT12调节水稻耐高温机制

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来源：

Cell

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来源地址：

https://cell.com/cell/retrieve/pii/S0092867425004131?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867425004131%3Fshowall%3Dtrue

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-04-30

摘要：

2025年4月30日， 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、生命科学技术学院、湖北洪山实验室水稻团队李一博教授课题组在Cell发表题为“A natural gene on-off system confers field thermotolerance for grain quality and yield in rice”的研究论文。该研究首次揭示了水稻对抗高温的秘密武器——基因QT12。它如同作物内置天然“空调系统”，调节水稻耐高温机制。当高温来袭，QT12自然变异与NF-Y蛋白复合体形成的初级-次级“双生锁”，锁住高温开关系统，既平衡了储藏蛋白与淀粉的合成稳态，又稳定了稻米品质和产量，为水稻在高温环境下的同时实现优质高产提供了全新的分子机制和绿色发展的育种策略。在这项研究中，经过长达10余年的灌浆期田间自然高温抗性种质的大量筛选和鉴定，研究团队利用自主研发的快速、高通量克隆作物重要农艺性状功能基因的RapMap方法，从大田耐热水稻种质中克隆到首个调控品质耐高温的主效QTL基因QT12，该基因同时表现出优异的产量耐热性。这一发现突破了传统温室筛选、苗期鉴定方法不能反映真实环境的局限，解决了长期困扰科学界的“耐高温表型难鉴定、耐高温基因难应用”的瓶颈问题。研究团队进一步发现，胚乳特异表达的核因子NF-YA8、NF-YB9与NF-YC10形成一个复合体差异结合到QT12启动子CCAAT-box元件的G/A变异上，对QT12表达和耐热性进行差异调控。该自然变异（初级开关）与NF-Y亚基间独特的抑制性调控机制（次级开关）形成了一个天然的基因开关系统：QT12启动子区域关键的G/A功能性变异，作为“初级开关”直接决定NF-YA8对QT12激活的开/关（第一层锁）；而高温则作为“次级开关”的推动器，释放了NF-YB9和NF-YC10对NF-YA8激活QT12的抑制，从而打开了次级开关（第二层锁）。当二级开关同时打开（“双生锁”同时打开），高温信号就能顺利传递并激活QT12的表达，通过抑制UPR感受器IRE1而过度激活UPR及UPR激活的bZIP60、bZIP50等转录因子，进而抑制储藏蛋白合成基因的表达和激活淀粉合成基因的表达，从而打破储藏蛋白与淀粉的稳态，最终实现高温敏感性。而QT12功能变异处为A时不能被该NF-Ys复合体识别，“双生锁”锁住该开关系统，进而对高温的响应不敏感，从而维持储藏物质的稳态，最终实现高温抗性。这个NF-Ys-QT12分子模块形成的二级开关系统的复杂调控机制，揭示了高温信号传导的差异分子机制。研究发现，QT12基因及其上游调控因子NF-YA8、NF-YB9、NF-YC10均为籼粳分化基因，虽然它们位于不同染色体上，但在籼稻和粳稻中呈现显著的协同分化或共选择特征，进而形成了具有上位性效应的不同单倍型组合。因此，研究团队基于该NF-Ys-QT12基因开关系统的单倍型组合首次提出了性状调控单倍型（TRHs）这一遗传学新概念，该概念揭示了水稻籼稻与粳稻两个亚种间耐热性差异的分子基础。这些TRHs组合能够精确和多样化调控该天然基因开关系统的活性，从而导致籼稻与籼稻、籼稻与粳稻在耐高温性、品质和产量上的显著差异。这一遗传学概念的提出为充分解析作物重要性状遗传多样性的分子调控网络提供了新视角，有望为高效分子育种提供策略参考。