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“动物可以主动避暑,但植物无法躲避高温” 张献龙院士纵论耐高温育种

2024-04-11   湖北日报   阅读量:265

    湖北日报全媒记者 李先宏

    全球气候正在变暖。科学家评估,全球平均气温每上升1℃,小麦产量下降6%,玉米下降7.4%,水稻下降3.2%。

    全球气候变暖,给作物育种带来新挑战。

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    “应对挑战,确保粮食安全,要不断培育出耐高温的新品种。”4月9日,在种业振兴院士专家论坛上,华中农业大学教授张献龙院士就作物耐高温育种作主旨演讲。

    当天,2024武汉种子交易会举行,全国500多家企业的20000多个优质品种,集中亮相武汉国际会展中心。

    张献龙院士说,作物正常生长,都需要适宜的温度。它的每一个生命过程,都有三个基点温度:最适温度、最低温度和最高温度。例如,水稻的最低温度是10℃~12℃,最适温度是20℃~32℃,最高温度是42℃。

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    棉花,如果温度超过了35℃,就会造成非常严重的影响。一般,作物最适温度较接近于最高温度,远离最低温度。最高温度多在30℃~40℃之间。

    全球气候变暖,导致高温干旱天气频发。张献龙院士说:“动物可以主动避暑,但植物无法躲避高温。高温导致作物严重减产。”

    张献龙院士是现任国际棉花基因组计划(ICGI)主席,长期致力于棉花生物工程与育种研究,培育出高产、优质、多抗的棉花品种25个,其中国审品种6个。

    2022年,华中农业大学棉花团队系统总结了全球高温对主要农作物产量的影响——

    温度每超过作物生长临界温度1℃,会导致主要农作物,包括水稻、玉米、大豆、小麦、油菜、棉花等减产2%~25%。

    全球高温对园艺蔬菜作物产量也有很大影响。温度每超过作物临界温度1℃以上,会导致包括甜菜、土豆、番茄、辣椒、黄瓜等减产2%~69%。

    高温会诱发更加频繁的病虫害。昆虫一般消耗5%~20%的主要粮食作物,而全球平均气温每上升1℃,昆虫造成的小麦、水稻和玉米产量损失将增加10~25%。

    “植物RNA病毒通过编码蛋白的碱基突变来适应气候变暖,导致病毒的持续流行和爆发。”张献龙院士说,这对育种策略提出新的要求,今后的品种需具有双重(生物及非生物)胁迫抗性和耐受性,耐高温同时抗病虫。

    以水稻、棉花为例,张献龙院士介绍了作物耐高温育种的主要策略和进展。他说,作物抗高温育种策略,主要有传统育种技术、基因组育种技术、多组学分析,以及开发表观调控抑制剂对作物进行生长调控等。

    传统育种技术,通过收集大量种质资源,进行温度胁迫处理,筛选抗温度胁迫种质,通过杂交、回交育种等创制抗性种质。

    利用基因组育种技术,2015年,林鸿宣课题组克隆了作物中第一个抗高温的基因Thermo-Tolerance1(TT1),并以耐热非洲稻CG14为供体材料,以敏高温的亚洲载培稻WYJ为受体材料,构建了染色体片段置换系群体,通过遗传分析定位克隆了该位点。

    2022年,该课题组又从热带粳稻品种HP21中克隆了TT2,编码了一个G蛋白Y亚基,负向调控水稻的耐热性。在热胁迫下,携带热带粳稻TT2基因型的近等基因系在苗期的成活率显著提高,成熟期的单株产量增幅达54.7%。

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    在棉花抗高温育种方面,通过棉花高通量高温育性鉴定方法开发,解析棉花高温败育机制,鉴定高温响应因子,筛选、创制耐高温种质,建立耐高温分子育种体系,培育耐高温品种,创新耐高温防控等,取得了新进展。

    张献龙院士团队开发了花粉活性生理指标精准定量和深度学习图像识别花药开裂的高通量鉴定技术,突破了传统育性性状鉴定的方法瓶颈。利用这一鉴定技术,多年多点筛选到耐高温陆地棉种质39份,海岛棉种质5份,为传统耐高温棉花育种提供了关键种质。

    通过多组学分析,鉴定到14个高温育性调控因子,占全球报道的棉花育性调控基因的65%,为耐高温育种提供基因资源。

    通过耐高温分子标记开发应用技术,培育了聚合4个耐高温位点的华杂棉H116、H922、H834,通过国家审定。

    开发表观调控抑制剂,能保持高温下敏高温棉花种质花粉高活力。开发的激素类喷剂,实现了高温下敏高温棉花品种产量20%以上的提升。

【责任编辑:肖梦吟】