炎炎夏日

我們躲在空調(diào)房里圖個(gè)涼快

但你有沒有想過

在田地里暴曬的水稻該怎么辦？

圖片來源：央視農(nóng)業(yè)

不過別擔(dān)心

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的科學(xué)家們帶來了一個(gè)好消息：

他們找到了水稻對(duì)抗高溫的秘密武器——

一個(gè)名叫 QT12 的神奇基因！

1水稻中的“空調(diào)開關(guān)”——QT12基因

高溫可是水稻的“一生之?dāng)场薄?/p>

在幼穗分化期，超過35℃的持續(xù)高溫會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)約30%，抽穗期遭遇高溫會(huì)減產(chǎn)50%，揚(yáng)花期的高溫更會(huì)讓水稻“花而不實(shí)”，斷子絕孫，灌漿期高溫?zé)岷Φ拇呤煨Ч?，還會(huì)讓水稻變得干癟，品質(zhì)下降。

此外，全球變暖帶來的極端高溫，更讓水稻“嚴(yán)重中暑”，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球平均氣溫每升高1℃，將直接導(dǎo)致水稻產(chǎn)量減少6.6%–25%，不僅產(chǎn)量下降，連米飯的口感都變差了。這可是關(guān)系到我們每個(gè)人飯碗的大事！

然而在過去，科學(xué)家們很難找到既能讓水稻在高溫下保住產(chǎn)量，又能保住品質(zhì)的基因。

經(jīng)過十多年的不懈努力，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，找到了水稻體內(nèi)一個(gè)神奇的“基因開關(guān)”，它的名字叫 QT12。

就像我們打開空調(diào)開關(guān)可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度一樣，QT12如同水稻對(duì)抗高溫的“秘密武器”，它不僅能調(diào)節(jié)水稻耐高溫機(jī)制，還能同時(shí)保證產(chǎn)出的米粒晶瑩剔透，口感香甜，完美解決了“高產(chǎn)”和“優(yōu)質(zhì)”難以兼得的老大難問題。

2“雙重保險(xiǎn)鎖”如何工作？

這個(gè)“基因開關(guān)”是如何運(yùn)作的呢？

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常精妙的“雙重保險(xiǎn)鎖”機(jī)制。

第一把鎖（基因鎖）： 在不耐熱的水稻中，QT12基因上有一個(gè)特殊的“位點(diǎn)”，像一把未打開的鎖。當(dāng)高溫來襲，一種叫“NF-Y”的蛋白質(zhì)就會(huì)跑過來“開鎖”，讓水稻仿佛“應(yīng)激”一般，在合成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的時(shí)候發(fā)生錯(cuò)誤，各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)配比失衡，導(dǎo)致米質(zhì)變差，產(chǎn)量降低。

第二把鎖（溫度鎖）： 這把鎖本來是鎖著的。但高溫天氣就像一把“鑰匙”，它會(huì)激活NF-Y蛋白，讓它去打開第一把鎖。

NF-Ys-QT12分子模塊調(diào)控水稻品質(zhì)耐熱性的工作機(jī)制（李威 供圖）（圖片來源：cell）

對(duì)于不耐熱的水稻，高溫一來，兩把鎖“咔噠”一聲全打開了，水稻的“警報(bào)系統(tǒng)”被過度激活，蛋白質(zhì)和淀粉合成比例失調(diào)，生產(chǎn)出來的米自然又少又難吃。

這個(gè)“雙重保險(xiǎn)鎖”系統(tǒng)，巧妙地揭示了水稻如何智慧地應(yīng)對(duì)高溫脅迫。但這對(duì)于人類來說，卻是個(gè)不折不扣的缺點(diǎn)。

然而，在有些天生耐熱的優(yōu)質(zhì)水稻中，第一把鎖（基因鎖）本身就是“壞”的！它的結(jié)構(gòu)發(fā)生了微小變化，導(dǎo)致NF-Y蛋白根本無法識(shí)別和打開它。這樣一來，無論高溫怎么“催促”，這套“警報(bào)系統(tǒng)”始終處于關(guān)閉狀態(tài)。水稻就能在高溫下保持“淡定”，穩(wěn)穩(wěn)地合成淀粉和蛋白質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)又高產(chǎn)。而這種壞掉的基因鎖，正是科學(xué)家們所尋找的：把這種鎖換到那些不耐熱的高產(chǎn)優(yōu)良品種中，不就能培育出耐熱又優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻品種了嗎？

3從實(shí)驗(yàn)室到餐桌：“耐熱稻”威力有多大？

理論再好，也要看實(shí)際效果。

研究團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)代基因編輯技術(shù)，將一些主流水稻品種的QT12基因“鎖住”，然后把它們種在武漢、杭州、長(zhǎng)沙等夏季酷熱的地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

結(jié)果令人十分驚喜：在極端高溫下，改造后的耐熱稻和普通水稻相比：小區(qū)試驗(yàn)產(chǎn)量分別提升了 92.5%、64.1%和54.7%！米粒的堊白（米粒中白色不透明的部分）也大大減少，外觀更晶瑩，煮出來的米飯也更好吃。

正常大米和堊白粒對(duì)比圖

研究人員還將這個(gè)優(yōu)秀的基因?qū)肓酥s交稻品種“華占”中，改良后的品種在高溫下產(chǎn)量大幅提升，米質(zhì)也變得更優(yōu)良。這無疑是打破了“逆境下，高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)”的魔咒！

低表達(dá)QT12協(xié)同提高籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量耐熱性（李威 供圖）（圖片來源：cell）

4未來展望：為全球飯碗保駕護(hù)航

這項(xiàng)發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《細(xì)胞》（Cell）上的研究，不僅僅是一項(xiàng)科學(xué)突破。

它為我們培育“綠色營(yíng)養(yǎng)超級(jí)稻”提供了強(qiáng)大的基因武器，也為保障中國(guó)乃至全球的糧食安全提供了一個(gè)全新的、綠色的解決方案。

你知道嗎？

秈稻 vs. 粳稻

秈稻（如泰國(guó)香米）：耐熱性強(qiáng)，適合南方高溫地區(qū)，灌漿持續(xù)時(shí)間較短（20~30天）淀粉合成速率快，直鏈淀粉大量合成，蛋白質(zhì)含量略高（7%~9%），米粒硬度大，咀嚼感強(qiáng)。煮出的米飯質(zhì)地松散不黏秈米適合炒飯、咖喱。

粳稻（如東北大米）：耐寒性好，適合北方溫帶氣候，灌漿持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（30~40天），淀粉合成速率緩慢，支鏈淀粉逐步累積，蛋白質(zhì)較低（6~7%），口感更綿軟。煮出的米飯黏性強(qiáng)適合制作壽司、粥。而且粳稻胚乳中脂類含量稍高，賦予米飯光澤和香氣（如日本越光米的“油性”口感）。

有了水稻耐熱“基因開關(guān)”這項(xiàng)技術(shù)，今后也許有望將北方好吃但不抗熱的粳米在南方種植，讓更多人吃到香糯的東北大米。

作者：肖云格

審核專家：史軍 中國(guó)科學(xué)院植物學(xué)博士，正高級(jí)研究館員

本文在科普新媒體平臺(tái)“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布