根據聯合國糧農組織（FAO）統(tǒng)計，目前有超過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(zhàn)的必要之選。雖然鹽堿耐性已經被廣泛研究，但人類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(qū)的主要糧食來源。高粱屬禾本科，基因組小且種質資源豐富，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，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究、中國農業(yè)大學和華中農業(yè)大學等多家研究團隊聯合在《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），并將相關理論成果應用到水稻、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
研究團隊利用一個由352份代表性的高粱品種組成的關聯群體進行GWAS分析，定位克隆到一個與高粱耐堿性顯著相關的主效位點，命名為AT1（與水稻的GS3基因同源），其編碼一個異源三聚體G蛋白γ亞基（Gγ）（圖2A、B）。在環(huán)境脅迫條件下，該基因通過調節(jié)過氧化氫（H2O2）的外排來增強耐鹽堿性。
在GWAS分析結果的基礎上，研究團隊對37個不同鹽堿耐性高粱品種的SbAT1（Sorghum bicolor AT1）基因的cDNA區(qū)域進行了測序。根據與高粱鹽堿耐性相關的五個主要變異位點，確定了SbAT1的兩個典型單倍型(Hap1和Hap2)。Hap1編碼一個完整的SbAT1。Hap2中的一個框架轉換突變（從"G "到"GGTGGC"）產生了一個提前終止密碼子，很可能導致編碼一個N端只有136個氨基酸的截斷蛋白（命名為Sbat1）。（圖2C、D）
圖2 全基因組關聯分析結果以及SbAT1基因的功能等位變異
為了證實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的過量表達降低了高粱和水稻的耐鹽堿性，而過量表達C末端截斷的AT1/GS3顯示出更強的耐鹽堿性(圖3D、E、F)。這一點在小米和水稻中得到了證實，這表明AT1/GS3在植物耐鹽堿中起著負向的作用（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
通過免疫沉淀結合質譜分析（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(jié)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進行實驗，發(fā)現在鹽堿脅迫環(huán)境下，PIP2;1促進過氧化氫（H2O2）外排以減輕堿脅迫對細胞帶來損傷。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(jié)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PIP2;1外排H2O2來調節(jié)植物的耐鹽堿性反應
為了評估AT1/GS3基因在作物生產中的應用，研究團隊進行了田間試驗。結果顯示，在一系列單子葉作物中，無論是來源于自然變異的或是通過基因編輯獲得的無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量（圖7）。
圖7 AT1/GS3基因敲除和自然無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.
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