北京
中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学于菲菲团队和华中农业大学欧阳亦聃团队联合8家科研单位协同攻关，发现了一个重要的耐盐碱调控基因AT1（Alkali tolerance 1），通过对该基因的操纵，可以显著提高多种作物的盐碱耐受性，并揭示了AT1通过调节细胞中的活性氧（ROS）水平来参与碱胁迫响应的分子机理。该成果以A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops为题于2023年3月24日发表在Science杂志上。
谢旗团队利用高粱资源群体，通过全基因组关联分析首先定位克隆到一个与高粱耐碱性显著相关的主效位点，命名为AT1，其编码一个异源三聚体G蛋白γ亚基（Gγ），与水稻的粒形调控基因GS3同源。单倍型分析发现AT1基因内存在一个发生移码突变的自然变异与耐盐碱性状变异呈极显著相关。构建高粱AT1过表达、基因编辑和近等基因系等遗传材料并进行耐盐碱表型分析，发现AT1在高粱碱胁迫的响应过程中起负调控作用。同时，发现AT1/GS3负调控碱胁迫耐受性的作用在其它禾本科作物包括水稻、谷子和玉米中都是高度保守的。进一步研究发现敲除小麦中的AT1基因同样增强其耐盐碱性。
为揭示AT1调控植物碱胁迫响应的分子机制，利用免疫共沉淀联合LC-MS蛋白质谱的方法鉴定到AT1的互作水通道蛋白SbPIP2;1/2;2和SbPIP1;3/1;4，并证实它们在植物体内体外均存在相互作用。利用pH不敏感的H2O2特异性荧光探针Cyto-roGFP2-Orp1进行实验，发现在盐碱胁迫环境下，PIP2;1促进过氧化氢（H2O2）外排以减轻碱胁迫对细胞带来损伤。进一步研究发现，在盐碱处理下，AT1/GS3通过抑制PIP2;1蛋白的磷酸化水平影响细胞中活性氧水平。因此，在碱胁迫条件下，AT1可能通过减弱PIP2;1的磷酸化来调节植物细胞中的ROS稳态，植物进而表现出碱敏感的表型；改造该基因则可缓解此毒害，赋予植物高耐盐碱性（图1）。
图1. Gγ亚基编码基因AT1介导植物对碱胁迫的响应机制
为进一步检验AT1基因的改造对作物在耐盐碱地上产量的影响，在吉林大安和宁夏平罗盐碱地进行了大田实验，发现基于耐盐碱等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了约20-30%的产量和生物量（图2）。
图2. AT1/GS3基因敲除和自然功能缺失等位基因可提高盐碱地作物产量
综上所述，该研究鉴定了一个控制禾本科作物（包括水稻、玉米、小麦、高粱和谷子）负调控耐碱性的关键因子AT1，解析了它通过影响水通道蛋白PIP2的磷酸化来调节H2O2的分布，进而维持ROS稳态和减轻碱胁迫对植物的伤害的分子机制。基于这一发现，通过设计AT1基因可以显著提高盐碱地作物的存活率、产量和生物量。未来将该基因用于分子设计耐盐碱作物的育种遗传改良中，将为解决全球粮食安全危机和高效利用盐碱土地提供理论指导。
中科院遗传发育所博士后张会丽、中国农业大学于菲菲教授、遗传发育所博士后谢鹏、扬州大学孙生远博士和中科院生物物理研究所高级工程师乔新华为该论文的共同第一作者，谢旗研究员、于菲菲教授和华中农业大学欧阳亦聃教授为共同通讯作者。同时宁夏大学许兴教授、中科院东北地理所梁正伟研究员、中科院遗传发育所李家洋院士和汪迎春研究员、华中农业大学张启发院士和中科院生物物理所陈畅研究员也参与了该研究，并给予相关技术支持。
值得一提的是，小麦耐盐碱相关研究成果于2023年3月24日发表在National Science Review杂志上（DOI: 10.1093/nsr/nwad075）。北京大学现代农业研究院孙文静博士、中科院遗传发育所博士后张会丽、博士生杨森和山东大学刘利静教授为该论文的共同第一作者，谢旗研究员、于菲菲教授和北京大学现代农业研究院张华伟教授为共同通讯作者。相关研究得到国家自然科学基金委、中国科学院重点战略重点项目、宁夏农业育种专项和中国科学院青年创新促进会等项目的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade841
来源：创新生物学
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