南湖新闻网讯（通讯员 李威 记者 川竹）北京时间4月30日，国际期刊《细胞》（Cell）发表了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题为“一个天然的基因开关系统协同赋予水稻品质和产量田间耐热性”（A natural gene on-off system confers field thermotolerance for grain quality and yield in rice）的研究论文。

文章封面（李威 供图）

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。

遇热则强：克隆首个品质与产量协同耐自然高温“基因开关”

近20年来，全球气候变化导致极端高温天气频发，严重威胁全球农业生产，对粮食作物产量和品质的影响尤为突出。多国农业模型分析及统计数据表明，全球平均气温每升高1℃，将直接导致水稻产量减少6.6%–25%，同时伴随稻米品质的严重劣化，给世界粮食安全带来严峻挑战。几个世纪以来，培育优质高产作物一直是农民和育种者的目标，但人们对高温促进垩白外观品质形成、食味降低的分子遗传基础认识非常有限。

水稻品质耐热种质鉴定及其QTL主效位点QT12的克隆（李威 供图）

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（Zhang et al. NC, 2021），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。

机制揭秘：找到高温初级-次级“双生锁”

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。

NF-Ys-QT12分子模块调控水稻品质耐热性的工作机制（李威 供图）

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。

理论创新：发现性状调控单倍型（TRHs）模型

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。

性状调控单倍型（TRHs）对籼粳分化有很大贡献（李威 供图）

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。

打破魔咒：攻克“高产不优质”的技术瓶颈

长江流域是我国第一大水稻主产区，种植面积和年产量均约占全国总量的三分之二，然而近10年来该稻区极端高温天气频发，给水稻稳产与优质带来了严峻挑战。然而，QT12基因的研究为这一难题带来了突破性解决方案。通过2023和2024年武汉、杭州和长沙等长江流域极端高温下的大规模田间试验，低表达QT12基因在高温环境下表现出很强的耐热性：与野生型相比，CRISPR编辑的QT12基因突变株系在武汉、杭州和长沙的小区产量分别提升了92.5%、64.1%和54.7%，同时显著降低了稻米垩白率和垩白度，提升了稻米外观品质和食味品质。

低表达QT12协同提高籽粒品质和产量耐热性（李威 供图）

此外，QT12基因导入到杂交稻配组最多的主栽品种“华占”中的应用也取得了显著成效。与“华占”相比，在高温下其结实率、单株产量和稻米品质均明显提升，导致小区产量分别增加了49.1%、77.9%和31.2%；改良品系的稻米储藏物质营养更加均衡、外观品质晶莹剔透、米饭食味性好，进一步验证了其在高温环境下优质、高产、抗高温的综合育种实力。

前景广阔：助力中国和全球粮食安全

该研究成功打破了作物在逆境-生长与产量-品质之间的权衡瓶颈，为多位院士专家最近提倡的“绿色营养超级稻”育种提供了强有力的功能基因、优良种质等技术支撑，可有效保障国家粮食安全。同时，该成果解释了籼稻与粳稻两个亚种间的耐热性差异，对我国南北方水稻品种遗传改良具有普遍意义和广阔应用前景。

李一博教授指导学生实验（蒋朝常 摄）

全球气候变暖导致的极端高温天气已严重威胁到主要粮食作物的产量和品质。中国科学院林鸿宣院士、曹晓风院士、种康院士、刘耀光院士、张启发院士，中国工程院张献龙院士对研究成果给予肯定，他们表示，该研究不仅填补了作物灌浆期籽粒品质高温耐受性领域的科学空白，还为解决全球粮食安全与农业可持续绿色发展问题提供了全新解决方案。

秉持科技创新与产业创新融合发展理念，利用“边研究、边开发、边应用”的新型产学研合作模式，研发团队在未发表成果之前就已与隆平高科、安徽荃银、北京金色农华、湖北荃银、扬子江种业等多家国内龙头企业达成转化开发意向协议，以期更早将研发成果普遍应用于水稻育种实践。

李一博教授与李威同学（左一）等探讨研究进展（蒋朝常 摄）

据了解，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、湖北洪山实验室李一博教授为该论文的通讯作者，李一博团队博士研究生李威为该论文的第一作者。李一博团队研究生或博士后杨柯、胡超凡、Waseem Abbas（外籍博士毕业生）、张建、许鹏坤（博士毕业生）、程波、张俊成（出站博士后）、殷文晶、Abdullah Shalmani（外籍出站博士后）以及赖雪雷教授课题组研究生吕庆亚和李秉辰参与了部分研究工作。华中农业大学水稻团队张启发教授、熊立仲教授、何予卿教授、赖雪雷教授和曲良焕副教授等对该项工作并提供了有价值的数据、讨论和论文修改。扬州大学陈忱教授提供了该项研究中NF-YB9遗传材料，中国水稻所张健研究员、湖南杂交水稻研究中心李莉研究员、湖南农业大学张桂莲教授、江西农业大学边建民教授在杭州、长沙和南昌的大规模田间高温试验上提供了帮助，武汉大学何光存教授、华中农业大学周道绣教授和郭建平教授在文章撰写和修改上提供了有价值的建议。

本研究得到了科技创新2030—生物育种重大项目、国家农业重大科技项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金联合基金重点项目、湖北洪山实验室等项目的大力支持。

审核人 李一博

论文链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00413-1

附：专家点评

林鸿宣（中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员）

随着全球变暖加剧，高温胁迫已成为限制作物生产的主要非生物逆境。高温对水稻的危害具有双重性：一方面，孕穗期、抽穗期、灌浆期高温导致颖花不育率增加、籽粒发育及充实受阻，直接造成减产；另一方面，灌浆期高温扰乱胚乳中储藏物质的正常合成和填充，导致稻米品质变差。传统育种往往顾此失彼，难以同时突破产量和品质的耐热瓶颈。现在华中农业大学水稻团队李一博教授课题组关于水稻耐热基因开关系统的研究，从根本上解决了自然高温胁迫下水稻产量与品质协同提升这一世界性难题。该研究首次创新性地揭示NF-Ys-QT12分子模块，通过调控未折叠蛋白反应（UPR）通路，在自然高温条件下维持储藏物质合成的稳态平衡新机制，从分子层面破解了"高温导致品质劣变"之谜。这项研究的突破性在于发现自然界存在的"天然基因开关"系统，通过QT12启动子的G/A自然变异和高温诱导的NF-Y复合体动态调控，实现对高温信号的精确响应。这种双级调控机制确保水稻在常温下正常发育，在高温下则启动保护性反应，既避免持续激活抗逆通路带来的生长抑制，又有效缓解高温造成的代谢紊乱。多年多地的田间试验数据表明，该系统的优化可使高温胁迫下的产量提升高达90%，同时显著降低籽粒垩白而维持较好外观品质，这种"既抗逆又增产还提质"的协同效应，颠覆了传统育种中"抗逆性-生长势"、"产量-品质"此消彼长的认知范式。NF-Ys-QT12模块的发现不仅为分子设计育种提供关键靶点，其揭示的"通过调控储藏物质稳态来实现抗逆提质"的新思路，可拓展至其它禾本科作物。这项研究标志着我国在作物抗逆生物学领域取得了原创性重大突破，为构建"高产-优质-抗逆"协同改良的育种新体系奠定了理论基础，为应对气候变化下的粮食安全挑战提供了全新的解决方案，对保障国家粮食安全具有重要战略意义。

曹晓风（中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员）

当前，全球变暖导致的高温胁迫已成为影响水稻产量和品质的关键因素，但以往研究多集中于营养生长到生殖生长阶段的耐热机制，对灌浆期高温影响籽粒品质的遗传基础认识有限，且传统温室模拟与田间实际环境存在差异，制约了耐热基因的育种应用。近日，李一博团队在Cell杂志发表了题为“A natural gene on-off system confers field thermotolerance for grain quality and yield in rice”的研究论文，他们首次克隆了调控水稻品质耐自然高温的主效基因QT12，揭示了NF-Ys-QT12模块的"天然基因开关"系统，解释了高温调控胚乳发育和籽粒品质的平衡稳态机制。该研究不仅面向世界科技前沿，填补了作物品质耐热性研究的空白，同时立足于面向国家重大需求，通过大量田间试验验证了相关基因在协同提升产量和品质方面的显著效果，为耐热育种提供了新靶点。

李一博团队的研究具有突出的创新性。首先，从方法上突破了传统耐热基因鉴定的局限，通过多年多地大田自然高温筛选和鉴定，确保了基因的育种适用性；其次，在理论层面提出了性状调控单倍型（TRHs）新概念，揭示了籼稻和粳稻在高温响应机制上的分子分化特征，并为解析作物复杂性状的遗传多样性提供了新框架；此外，在应用层面证实了QT12基因可打破"产量-品质"的权衡关系，在极端高温下实现产量最高提升92.5%的同时改善稻米品质，为解决粮食安全生产难题提供了切实可行的解决方案。这一研究范式的核心价值在于：将数量遗传学研究从"控制变量"的实验室单一变量思维，升级为"拥抱复杂性"的生态遗传学综合思维，为应对气候变化下的作物综合性状的遗传改良提供了方法论基础。其创新性不仅体现在QT12基因本身，更在于建立了连接基因发现与育种应用的快速通道。毋庸置疑，这项成果不仅推动了作物品质耐热机制的基础研究，更为应对气候变化下的粮食安全挑战提供了重要的技术支撑，标志着我国在水稻分子育种领域取得了引领性突破，对保障国家粮食安全具有重大战略意义。

种康（中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员）

李一博研究组破解了水稻生产中高温灾害导致的稻米垩白形成的分子模块机制。水稻垩白是衡量稻米品质的重要指标，严重影响稻米的外观品质、加工品质、营养品质和市场价值，直接决定了稻农收入和生产积极性。高温胁迫会显著增加籽粒垩白，导致稻米透明度下降、食味品质降低，这一问题在长江流域等水稻主产区尤为突出。随着全球气候变暖加剧，灌浆期高温已成为制约优质稻米生产的首要环境因子。然而，由于垩白形成涉及复杂的遗传调控网络，且高温响应机制尚未阐明，长期以来育种家难以突破“高温导致品质下降、协同提高水稻品质和产量”这一瓶颈。近日，李一博教授团队的研究为解决这一难题提供了突破性方案。他们通过十年田间耐热表型筛选，成功克隆首个调控稻米品质耐热性的主效QTL基因QT12，并揭示了一个由NF-Y转录复合体介导的天然基因开关系统。该研究发现，高温通过NF-Ys-QT12模块调控内质网稳态和UPR信号通路，进而影响储藏蛋白与淀粉合成的动态平衡，这为理解高温下垩白外观品质形成与胚乳发育的分子机制提供了全新视角。尤为重要的是，该团队解析了水稻亚种间耐热性差异的遗传基础，为分子标记辅助选择提供了理论依据。从研究思路上看，在大田自然高温下进行表型鉴定虽然难度大，但避免了人工温室模拟自然环境的局限性，为抗逆数量性状主效基因的克隆提供了新的研究范式；创建了从温度信号感知到胚乳细胞器功能应答的分子通路以及到稻米品质表型的调控网络。该研究注重育种应用验证，在多个优质品种和主栽品种中证实了低表达QT12在协同提高高温下稻米品质和产量上的实际应用价值，为解决抗性-生长、产量-品质的矛盾平衡提供了全新的育种策略。未来，基于该调控网络的分子设计育种可快速培育适应不同生态区的高产优质耐热品种。这项成果不仅为培育耐高温优质水稻品种提供了直接可用的基因资源，更重要的是建立了一个通过调控胚乳发育稳态来提升稻米品质的新范式，对粮食作物品质改良具有普遍的指导意义，为应对气候变化下的粮食安全挑战提供了切实可行的解决方案。

刘耀光（中国科学院院士、华南农业大学教授）

全球变暖导致极端高温事件频发，严重威胁作物产量和品质稳定性，对全球粮食安全构成严峻挑战。培育兼具高产和优质特性的耐热作物品种已成为保障粮食安全的战略需求。在水稻生产中，田间高温不仅显著降低结实率和产量，更会导致稻米垩白度增加这一关键品质劣变现象。由于田间温度存在显著时空波动，精准鉴定耐热种质资源和克隆相关抗性基因面临巨大的技术挑战。然而，目前的作物耐热遗传研究多局限于温室或人工气候室条件下的耐热QTL定位，这种脱离田间真实环境的研究范式可能无法准确反映作物在自然条件下的耐热表现。因此，深入解析田间自然高温条件下产量与品质协同调控的分子机制，将为作物耐热育种提供更具实践价值的理论指导。

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近日发表的突破性研究为解决这一关键问题提供了新思路。该研究创新性地采用自然大田高温环境处理条件，在9个自然高温季节和5个常温季节对大量水稻核心种质的耐热性进行筛选，成功鉴定出高耐热和热敏感的材料，并运用RapMap技术克隆了关键QTL基因QT12（编码83个氨基酸的功能肽）。深入分子解析发现，QT12启动子区CCAAT-box顺式元件的单核苷酸多态性（G/A）与田间高温下的籽粒品质耐热性显著相关。研究团队进一步鉴定出三个胚乳特异性表达的NF-Y转录因子亚基（NF-YA8、NF-YB9和NF-YC10），它们与QT12功能变异G/A共同构成了一个天然的基因开关系统NF-Ys-QT12。NF-YA8通过直接结合QT12G等位基因的CCAAT基序发挥正向转录调控作用，而NF-YB9和NF-YC10在常温下通过与NF-YA8互作而抑制其转录激活活性。而高温胁迫则削弱了三者间的互作强度，从而释放NF-YA8对QT12G的高效激活能力。值得注意的是，QT12过表达会抑制IRE1激酶活性，导致内质网应激持续激活和未折叠蛋白反应（UPR）失衡，最终破坏胚乳储藏蛋白与直链淀粉合成的动态平衡，诱发籽粒垩白发生。在进化层面，研究揭示了NF-YA8、NF-YB9、NF-YC10和QT12四个非连锁基因的变异在驯化过程中形成协同选择的性状调控单倍型（TRHs），这些自然变异为解释籼粳亚种在生态适应性、产量品质及耐热性等方面的分化提供了分子依据。这项研究的重要意义在于：首次在田间真实环境下解析了NF-Ys-QT12-IRE1模块作为天然温度感应开关的分子机制，为作物耐热育种提供了原创性理论框架和关键基因资源。尽管QT12短肽的具体生化功能仍需深入探究，但该研究建立的"环境响应-基因调控-表型输出"研究范式，以及鉴定的耐热调控模块，为应对气候变化下粮食安全生产提供了极具应用前景的解决方案。未来通过分子设计育种整合这些优异等位变异，有望培育出适应高温胁迫的高产优质水稻新品种。