根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，目前有超過(guò)10億公頃的土地受到鹽的影響。在這些土地中，約60%被歸類為鹽堿地，這些土壤的pH值很高，主要是碳酸氫鈉（NaHCO₃）和碳酸鈉（Na₂CO₃）的影響。到2050年，全球變暖和淡水匱乏將導(dǎo)致50%以上的耕地受到鹽影響，這樣將嚴(yán)重影響世界糧食安全。鑒定和設(shè)計(jì)耐鹽堿的作物是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的必要之選。雖然鹽堿耐性已經(jīng)被廣泛研究，但人類對(duì)植物的耐鹽堿性的研究并不夠深入。

高粱起源于非洲，是世界上最早被栽培的農(nóng)作物之一。高粱具有很強(qiáng)的耐鹽堿、耐干旱和耐土壤貧瘠的能力，迄今為止仍然是世界干旱和半干旱地區(qū)的主要糧食來(lái)源。高粱屬禾本科，基因組小且種質(zhì)資源豐富，因此可被作為理想的挖掘耐鹽堿基因資源的模式作物。

近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等多家研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在《Science》在線發(fā)表了題為A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops的研究論文，介紹了研究團(tuán)隊(duì)在高粱中發(fā)現(xiàn)了主效耐堿基因AT1，首次揭示了作物耐堿的分子機(jī)制（圖1所示），并將相關(guān)理論成果應(yīng)用到水稻、小麥、玉米、谷子等作物上，顯著提高了這些作物在鹽堿地的產(chǎn)量。

圖1 AT1基因的遺傳修飾增強(qiáng)了作物的耐鹽堿性

研究團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)由352份代表性的高粱品種組成的關(guān)聯(lián)群體進(jìn)行GWAS分析，定位克隆到一個(gè)與高粱耐堿性顯著相關(guān)的主效位點(diǎn)，命名為AT1（與水稻的GS3基因同源），其編碼一個(gè)異源三聚體G蛋白γ亞基（Gγ）（圖2A、B）。在環(huán)境脅迫條件下，該基因通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫（H₂O₂）的外排來(lái)增強(qiáng)耐鹽堿性。

在GWAS分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)37個(gè)不同鹽堿耐性高粱品種的SbAT1（Sorghum bicolor AT1）基因的cDNA區(qū)域進(jìn)行了測(cè)序。根據(jù)與高粱鹽堿耐性相關(guān)的五個(gè)主要變異位點(diǎn)，確定了SbAT1的兩個(gè)典型單倍型(Hap1和Hap2)。Hap1編碼一個(gè)完整的SbAT1。Hap2中的一個(gè)框架轉(zhuǎn)換突變（從"G "到"GGTGGC"）產(chǎn)生了一個(gè)提前終止密碼子，很可能導(dǎo)致編碼一個(gè)N端只有136個(gè)氨基酸的截?cái)嗟鞍祝麨?em style=";padding: 0px">Sbat1）。（圖2C、D）

圖2 全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果以及SbAT1基因的功能等位變異

為了證實(shí)AT1基因座的功能，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一對(duì)具有兩種AT1單倍型的近等基因系（NILs）來(lái)評(píng)估AT1對(duì)高粱耐鹽堿的等位基因效應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與野生型全長(zhǎng)SbAT1（Hap1）相比，Sbat1等位基因（Hap2，即SbAT1的截?cái)喟妫┰鰪?qiáng)了植株對(duì)鹽堿的耐受性（圖3A、B、C）。AT1/GS3的過(guò)量表達(dá)降低了高粱和水稻的耐鹽堿性，而過(guò)量表達(dá)C末端截?cái)嗟?em style=";padding: 0px">AT1/GS3顯示出更強(qiáng)的耐鹽堿性(圖3D、E、F)。這一點(diǎn)在小米和水稻中得到了證實(shí)，這表明AT1/GS3在植物耐鹽堿中起著負(fù)向的作用（圖4A-F）。相反，敲除（ko）高粱、小米、水稻和玉米的AT1/GS3可以提對(duì)鹽堿脅迫的耐受性（圖4A-I），這表明在單子葉作物中存在一條保守耐鹽堿的途徑。

圖3 高粱中SbAT1基因的耐鹽堿性功能

圖4 小米、水稻和玉米中的同源AT1的Gγ小亞基具有保守的耐鹽堿性功能

通過(guò)免疫沉淀結(jié)合質(zhì)譜分析（IP-MS），研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)AT1/GS3與參與活性氧（ROS）平衡的水通道蛋白SbPIP2s相互作用（圖5）。遺傳分析顯示，OsPIP2;1ko/2;2ko的耐鹽堿性低于野生型對(duì)照組。

圖5 編碼Gγ小亞基的AT1與水通道蛋白PIP2;1互作調(diào)節(jié)植物耐鹽堿性

研究團(tuán)隊(duì)利用pH不敏感的H2O2特異性熒光探針Cyto-roGFP2-Orp1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫環(huán)境下，PIP2;1促進(jìn)過(guò)氧化氫（H₂O₂）外排以減輕堿脅迫對(duì)細(xì)胞帶來(lái)?yè)p傷。鹽堿脅迫處理后，與野生型相比，OsPIP2;1ko/2;2ko的H2O2相對(duì)水平增加。這表明水通道蛋白的磷酸化可以調(diào)節(jié)H₂O₂的外排。Gγ對(duì)PIP2;1的磷酸化有負(fù)調(diào)控作用，導(dǎo)致了植物在鹽堿性脅迫下的ROS水平升高（圖6）。

圖6 編碼Gγ小亞基的AT1通過(guò)PIP2;1外排H₂O₂來(lái)調(diào)節(jié)植物的耐鹽堿性反應(yīng)

為了評(píng)估AT1/GS3基因在作物生產(chǎn)中的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。結(jié)果顯示，在一系列單子葉作物中，無(wú)論是來(lái)源于自然變異的或是通過(guò)基因編輯獲得的無(wú)功能突變體都可以提高作物在鹽堿地種植環(huán)境下的田間表現(xiàn)，包括整株的生物量和籽粒產(chǎn)量（圖7）。

圖7 AT1/GS3基因敲除和自然無(wú)功能等位變異提高了作物的耐鹽堿性

H. Zhang et al. A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops[J]. Science, 2023, 379, 1204.

北大荒墾豐種業(yè)-澤泉科技生物技術(shù)與表型服務(wù)中心是由北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司和上海澤泉科技股份有限公司共同建設(shè)的開(kāi)放式高通量植物基因型-表型-育種服務(wù)平臺(tái)。中心建立了基因克隆和載體平臺(tái)、作物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、基因型分析平臺(tái)、表型鑒定分析平臺(tái)、數(shù)據(jù)分析和利用平臺(tái)等現(xiàn)代化生物技術(shù)和信息支持平臺(tái)，是定位于為植物科研和作物育種提供植物基因型-表型-育種數(shù)據(jù)分析的科研服務(wù)平臺(tái)。

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SSR-瓊脂糖電泳圖

SNP-基因分型圖

分子標(biāo)記輔助選擇/回交育種服務(wù)

利用分子標(biāo)記輔助目標(biāo)基因選擇、背景選擇和去連鎖選擇，針對(duì)優(yōu)良自交系的個(gè)別“短板”進(jìn)行“定向”改良，回交不超過(guò)3代，獲得與原自交系一致或高度相似的新材料。

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