隨着全球氣候變暖趨勢加劇，高溫脅迫成為制約世界糧食生產安全的最主要因素之一。據報道，平均氣溫每升高1℃，會造成水稻、小麥、玉米等糧食作物3%~8%左右的減產。因此，挖掘高溫抗性基因資源，闡明高溫抗性分子機制，以及培育抗高溫作物新品種，成為亟待攻克的重大課題。記者獲悉，中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究團隊與上海交通大學林尤舜研究團隊合作在這一領域取得新突破。相關成果17日在國際頂尖學術期刊《科學》上發表。
該成果首次揭示了在一個控制水稻數量性狀的基因位點（TT3）中存在由兩個拮抗的基因（TT3.1和TT3.2）組成的遺傳模塊，用來調控其高溫抗性。這為揭示複雜數量性狀的分子調控機制提供了新視角。研究還揭示了葉綠體蛋白降解新機制，同時發現了第一個潛在的作物高溫感受器。這將應用於抗高溫育種改良當中，以提高不同作物品種的高溫抗性，維持其在極端高溫下的產量穩定性。
自2005年以來，林鴻宣帶領團隊成功分離克隆多個控制水稻性狀的“重量級”新基因。此次，通過對大規模水稻遺傳群體進行交換個體篩選和耐熱表型鑒定，研究團隊定位克隆到一個控制水稻高溫抗性的基因位點TT3。為此，研究團隊付出7年的努力，加上遺傳材料構建，耗時近10年。
研究發現，來自非洲栽培稻（CG14）的TT3基因位點，相較於來自亞洲栽培稻（WYJ）的TT3基因位點具有更強的高溫抗性。為了解TT3的生產應用價值，研究團隊通過多代雜交回交方法把高溫抗性強的非洲栽培稻TT3基因位點導入到亞洲栽培稻中，培育成新的抗熱品系。在抽穗期和灌漿期的高溫處理條件下，新的抗熱品系增產效果明顯。
通過轉基因方法進一步驗證，結果表明，在高溫脅迫下，過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產效果。而在正常田間條件下，它們對產量性狀沒有負面影響。這為作物抗高溫育種提供了珍貴的基因資源，具有廣泛應用前景和商業價值。
研究還注意到，細胞質膜定位的TT3.1在高溫誘導下能夠發生其蛋白定位的改變，實現在高溫脅迫下對葉綠體的保護，從而提高水稻的高溫抗性。這表明，TT3.1可能是一個潛在的高溫感受器。該研究首次將植物細胞質膜與葉綠體之間的高溫響應信號聯繫起來，揭示了嶄新的植物響應極端高溫的分子機制。
據預測，至2040年，高溫將使全球糧食減產30%~40%。隨着人口持續增加，糧食需求將倍增，勢必對未來農業發展帶來巨大挑戰。藉助分子生物技術方法將該研究發掘的抗高溫新基因TT3.1/TT3.2應用於水稻、小麥、玉米、大豆以及蔬菜等作物的抗高溫育種改良中，對於有效應對全球氣候變暖引發的糧食安全問題具有重要意義。