Science!科学家首次发现作物主效耐碱基因AT1

草业科学与技术学院于菲菲教授参与中国科学院遗传与发育生物学研究所、华中农业大学等10家科研单位团队协同攻关,发现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,相关研究成果发表在国际高水平学术期刊Science 和 National Science Review杂志上。

随着全球人口的快速增加,人均可用耕地和淡水资源在日益减少,预计到2050年全球农作物产量需要翻倍才能满足人类粮食的需求。据联合国粮农组织的调查数据显示,目前全球有超过10亿公顷的盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用,且不合理的施肥灌溉将会进一步加剧盐碱地面积的扩张,土壤盐渍化问题已经成为世界性难题。盐渍化土地分为中性pH的盐地(富含氯化钠和硫酸钠)和高pH的苏打盐碱地(富含碳酸钠和碳酸氢钠,约占60%),目前我们对于植物耐盐性有较深入认识,但是对植物耐碱胁迫环境的认识严重不足。因此,通过培育耐盐碱农作物,提高盐渍化土地产能,是解决未来人类粮食安全和农业发展的重要途径。

高粱作为世界第五大作物,起源于非洲,是世界上最早被栽培的农作物之一。高粱具有很强的耐盐碱、耐干旱和耐土壤贫瘠的能力,迄今为止仍然是世界干旱和半干旱地区的主要粮食来源。高粱属禾本科,基因组小且种质资源丰富,因此可被作为理想的挖掘耐盐碱基因资源的模式作物。

该研究利用高粱资源群体,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)。

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。因此,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做出贡献。

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

相关研究成果联合10家科研单位协同攻关完成,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(DOI: 10.1126/science.ade8416)。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,中科院遗传发育所谢旗研究员、中国农业大学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。关于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,于菲菲教授、北京大学现代农业研究院张华伟教授和谢旗研究员为共同通讯作者。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。

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