Science | 突破！谢旗/欧阳亦聃/于菲菲发现主效耐碱基因可使谷物增产约20%

全球变暖和淡水缺乏的影响将导致2050年50%的耕地受到盐的影响，从而严重影响世界粮食安全。识别和/或设计耐药作物是解决这一挑战的必要条件。尽管人们对植物的耐盐碱性进行了广泛的研究，但对植物的耐碱度研究还不够深入。

2023年3月24日，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗、华中农业大学欧阳亦聃及中国农业大学于菲菲共同通讯在Science 在线发表题为“A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops”的研究论文，该研究表明Gγ蛋白调节作物的碱性敏感性。通过对天然高耐碱作物高粱的基因组关联分析，该研究发现了一个与碱盐敏感性特异性相关的主要位点—耐盐碱调控基因AT1 (Alkaline Tolerance 1)。

羧基端截断的AT1等位基因增加了敏感性，而敲除AT1则增加了高粱、小米、水稻和玉米的耐碱性。AT1编码非典型G蛋白γ亚基，影响水通道蛋白的磷酸化以调节过氧化氢(H2O2)的分布。这些过程似乎可以保护植物免受碱的氧化胁迫。该研究还发现该基因在中重度盐碱地显著提升高粱、水稻、玉米、小麦、玉米和谷子等作物的产量（如吉林大安盐碱地pH值达到9.17，水稻可实现年增产22.4%~27.8%；宁夏平罗盐碱地（pH 9.10，盐6‰）用基因剪刀“剪掉”AT1基因能够使高粱全株生物量（青贮饲料用）增加近30.5%，籽粒增产20.1%；可让谷子增产19.5%）。

根据联合国粮食及农业组织(FAO)的研究，有10亿公顷土地受到盐的影响，约60%的估计面积被划分为钠性土地。全世界约有25%至33%的灌溉土地受到次生盐碱的影响。由于对碱胁迫认识不足，限制了盐碱地作物增产技术的发展。与中性盐度(pH ~7)仅存在离子毒性不同，高pH降低了碱性盐渍土必需养分的吸收速率和钠离子(Na+)排异。与单独的盐度相比，这通过诱导高细胞氧化应激对植物生长造成更多的负面影响。高粱是目前世界上第五大主要粮食作物，与其他作物相比，它已经进化出更强的适应一些非生物胁迫的能力。因此，它被认为是发现改善作物对环境胁迫(包括碱胁迫)反应机制和遗传资源的有用资源。

高碱度会提高细胞中的过氧化氢(H2O2)水平，对细胞蛋白质、脂质和DNA造成氧化损伤，从而导致细胞凋亡。水通道蛋白(Aquaporins, AQPs)从原核生物到真核生物都是保守的。研究人员报道，在各种生物中，水通道蛋白超家族的几个成员也可以运输氧化还原信号化合物H2O2，以促进细胞质中H2O2水平的提高。在植物中，水通道蛋白参与不同的胁迫防御，其磷酸化在其运输活动中起着重要作用。然而，作物如何感知碱性胁迫以及后续信号如何影响H2O2运输仍有待探索。

AT1基因修饰提高了耐碱性胁迫能力（图源自Science ）

膜结合G蛋白在真核生物王国中是保守的。它们在生物生命周期的发展和环境相互作用中起着不同的作用。植物中存在大量不同的G蛋白γ亚基，在信号感知、转导和下游效应物调控等不同方面发挥作用。虽然G蛋白信号通路在哺乳动物中已经得到了很好的研究，但在植物中与G蛋白γ亚基相关的潜在机制，特别是在非生物胁迫信号中的机制尚不清楚。

该研究发现SbAT1编码一个非典型的G蛋白γ亚基，并抑制水通道蛋白的磷酸化，这些水通道蛋白在碱性胁迫下可能被用作H2O2输出器。有了这些知识，剔敲除AT1同源基因或使用天然无功能等位基因的转基因作物可以大大提高含钠土地上的作物产量。该研究还发现该基因在中重度盐碱地显著提升高粱、水稻、玉米、小麦、玉米和谷子等作物的产量（吉林大安盐碱地pH值达到9.17。水稻可实现年增产22.4%~27.8%；宁夏平罗盐碱地（pH 9.10，盐6‰）用基因剪刀“剪掉”AT1基因能够使高粱全株生物量（青贮饲料用）增加近30.5%，籽粒增产20.1%；可让谷子增产19.5%）。这可能有助于最大限度地利用全球盐碱地，以确保粮食安全。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade8416

转自：“iNature”微信公众号

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