根據聯(lián)合國糧農組織（FAO）統計，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(lèi)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致50%以上的耕地受到鹽影響，這樣將嚴重影響世界糧食安全。鑒定和設計耐鹽堿的作物是應對這一挑戰的必要之選。雖然鹽堿耐性已經(jīng)被廣泛研究，但人類(lèi)對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作物之一。高粱具有很強的耐鹽堿、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，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究、中國農業(yè)大學(xué)和華中農業(yè)大學(xué)等多家研究團隊聯(lián)合在《Science》在線(xiàn)發(fā)表了題為A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops的研究論文，介紹了研究團隊在高粱中發(fā)現了主效耐堿基因AT1，首次揭示了作物耐堿的分子機制（圖1所示），并將相關(guān)理論成果應用到水稻、小麥、玉米、谷子等作物上，顯著(zhù)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了作物的耐鹽堿性

研究團隊利用一個(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(zhù)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)調節過(guò)氧化氫（H₂O₂）的外排來(lái)增強耐鹽堿性。

在GWAS分析結果的基礎上，研究團隊對37個(gè)不同鹽堿耐性高粱品種的SbAT1（Sorghum bicolor AT1）基因的cDNA區域進(jìn)行了測序。根據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，很可能導致編碼一個(gè)N端只有136個(gè)氨基酸的截斷蛋白（命名為Sbat1）。（圖2C、D）

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

為了證實(shí)AT1基因座的功能，研究團隊發(fā)展了一對具有兩種AT1單倍型的近等基因系（NILs）來(lái)評估AT1對高粱耐鹽堿的等位基因效應。研究團隊發(fā)現，與野生型全長(cháng)SbAT1（Hap1）相比，Sbat1等位基因（Hap2，即SbAT1的截斷版）增強了植株對鹽堿的耐受性（圖3A、B、C）。AT1/GS3的過(guò)量表達降低了高粱和水稻的耐鹽堿性，而過(guò)量表達C末端截斷的AT1/GS3顯示出更強的耐鹽堿性(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(zhù)負向的作用（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)免疫沉淀結合質(zhì)譜分析（IP-MS），研究團隊發(fā)現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照組。

圖5 編碼Gγ小亞基的AT1與水通道蛋白PIP2;1互作調節植物耐鹽堿性

研究團隊利用pH不敏感的H2O2特異性熒光探針Cyto-roGFP2-Orp1進(jìn)行實(shí)驗，發(fā)現在鹽堿脅迫環(huán)境下，PIP2;1促進(jìn)過(guò)氧化氫（H₂O₂）外排以減輕堿脅迫對細胞帶來(lái)?yè)p傷。鹽堿脅迫處理后，與野生型相比，OsPIP2;1ko/2;2ko的H2O2相對水平增加。這表明水通道蛋白的磷酸化可以調節H₂O₂的外排。Gγ對PIP2;1的磷酸化有負調控作用，導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)調節植物的耐鹽堿性反應

為了評估AT1/GS3基因在作物生產(chǎn)中的應用，研究團隊進(jìn)行了田間試驗。結果顯示，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，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的開(kāi)放式高通量植物基因型-表型-育種服務(wù)平臺。中心建立了基因克隆和載體平臺、作物轉化系統、基因型分析平臺、表型鑒定分析平臺、數據分析和利用平臺等現代化生物技術(shù)和信息支持平臺，是定位于為植物科研和作物育種提供植物基因型-表型-育種數據分析的科研服務(wù)平臺。

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