2020年9月23日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室朱新广研究组在The Plant Journal发表了题为“Alterations in Stomatal Response to Fluctuating Light Increase Biomass and Yield of Rice under Drought conditions”的研究论文，揭示了水稻气孔调控动态新机制，并成功用于创制抗旱水稻品系，为培育抗旱作物提供了新武器。

　　提高水分利用效率是水稻耐旱性育种的关键靶点。目前，大量的关于在极度干旱条件下作物维持存活的调控机制得以阐明；然而，在实际生产的中等干旱条件下，如何保证粮食稳产甚至增产的分子靶标目前尚未见报道。本文报道了一个可以用于提高作物在生理干旱下抗旱性的新途径。

　　在田间条件下，作物长期处于高低光动态环境中。叶片气孔是协调光合效率和水分利用效率的关键因子。当叶片从高光转换到低光动态过程中，气孔关闭缓慢会导致大量水分丧失，进而影响水分利用效率和耐旱性（Qu et al., 2016a; Qu et al., 2016b）。本研究以217份全球微核心种质资源为材料，通过全基因组关联分析，发现了在波动光状态下调控气孔关闭速度的基因NHX2。该基因属于钠离子与氢离子交换反向转运蛋白，强烈受干旱胁迫诱导表达，该基因可通过影响质子跨膜电势变化，调控保卫细胞膨压进而影响气孔开关速度。干旱条件下，过量表达该基因，可以提高其气孔反应速度，而CRISPR敲除株系要比对照的气孔反应速度慢，这导致极大控制水稻的水分利用效率。通过对该水稻群体基因序列变异分析，发现该基因（包含启动子和编码区）共有3个单倍型。其中，具有单倍型III的水稻材料往往具有更快的气孔反应速度。为验证单倍型I的生物学功能，我们构建了以02428为供体（单倍型III），以明辉63为受体（单倍型II）的高代近等基因系；并通过不同年限（2018-2019）和地点重复（上海和海南），证明了该近等基因系在干旱条件下与明辉63对照相比，具有至少高于10%的小区产量。对该群体的气候起源环境分析发现，大多数含有单倍型III的水稻材料起源于干旱或半干旱地区，单倍型II的材料起源于热带湿润气候。两种材料群体起源地区的年均降水量相差3倍，说明水分环境选择压力对气孔反应速度的遗传效应起着至关重要的作用。

　　该研究提供了调控气孔动态的遗传因子NHX2的优良等位变异信息，为水稻耐旱分子育种关键靶点的筛选以及缓和我国粮食生产与淡水资源缺乏之间的矛盾提供新思路，为确保我国粮食安全、调整优化农业结构、促进节水农业持续发展开辟一条新思路。据2019年IPCC报道，全球每年因干旱导致水稻减产约20%，导致经济损失达5000亿元。通过利用NHX2的基因变异，为全球水稻抗旱性育种、维护全球粮食安全提供新武器。

　　朱新广研究组的副研究员曲明南为该论文第一作者，朱新广研究员、储成才研究员和陈根云研究员为该论文通讯作者。该项研究得到了中国科学院、国家自然科学基金及上海市科委的资助。

　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15004

　　图. NHX2的自然变异与气孔动态变化和干旱气候环境高度相关。