新基因发现为提高作物的耐碱性指明了方向

中国科学家已经确定了一个与作物耐碱性有关的关键基因，该基因可以通过使用基因工程大大提高土壤环境中的作物产量。

该研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所谢琦教授团队牵头，与其他七家机构合作，已在《科学》杂志上发表。

目前，世界上有超过 10 亿公顷的盐碱地，其中约 60% 属于高钠土壤。因此，开发耐盐碱作物是一项紧迫的全球性挑战。然而，植物的碱性耐受性尚未得到很好的研究。

高粱起源于非洲恶劣的环境，进化出比其他主要作物(如小麦、水稻和玉米等)更能耐受多种非生物胁迫的能力。与某些盐生植物一样，高粱甚至可以在 pH 高达 10.0 的碱土中生存。

在这项工作中，研究人员首先在一个多样化的高粱小组中进行了全基因组关联研究，并确定了一个重要的基因座，碱性耐受性 1 ( AT1 )，它编码一个非典型 G 蛋白 γ 亚基并控制碱性耐受性。AT1基因在其他植物中有直系同源物;在大米中它被命名为GS3。

进一步的实验证实，at1/gs3等位基因产生 C 端截短蛋白，导致负碱性耐受效应，同时敲除AT1/GS3(GS3是AT1的水稻直系同源物)保守地增加了单子叶作物对碱性胁迫的耐受性，包括高粱、小米、水稻和玉米。

他们发现活性氧稳态中的水通道蛋白 PIP2s 可能参与 Gγ 蛋白信号传导。遗传和细胞生物学分析表明，Gγ 负向调节 PIP2;1 的磷酸化，而水通道蛋白的磷酸化可以调节 H 2 O 2的外排，导致碱性胁迫下植物的 ROS 水平降低。

为了评价AT1/GS3基因在作物生产中的应用，在盐碱地进行了田间试验。他们发现许多单子叶植物中的非功能性突变体，包括高粱、小米、水稻和玉米，在生物质或产量方面比在钠质土壤中生长的未修饰对照能显着提高作物的田间表现。

总之，研究人员发现，非典型 Gγ 亚基通过调节环境压力下H 2 O 2的流出来负向调节碱性压力。

谢教授说：“我们发现了一种‘星’G蛋白的分子机制，它在控制植物胁迫反应及其下游分子水通道蛋白H 2 O 2输出中起着新的作用。”

除了阐明生态学上重要的分子机制外，该研究还具有指导边际土地耐碱性盐作物育种的巨大潜力。通过这种方式，它可以为全球粮食安全做出贡献，因为全世界有超过 10 亿公顷的盐碱地。