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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個(gè)重要的耐鹽堿調(diào)控基因，兩篇論文齊發(fā)
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10家科研單位協(xié)同攻關(guān)，兩篇重要論文齊發(fā)，首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的耐鹽堿調(diào)控基因，對農(nóng)作物培育育種和高效利用鹽堿土地有重要意義！ Gγ亞基編碼基因AT1介導(dǎo)植物對堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制。 據(jù)中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所官網(wǎng)消息，該所謝旗團(tuán)隊(duì)與合作人員聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)了耐堿性基因，在高粱中命名為AT1，與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。 研究團(tuán)隊(duì)對水稻、玉米、小麥、谷子和高粱等作物的上述基因進(jìn)行改造，并進(jìn)行了大田實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，基于耐鹽堿等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了約20-30%的產(chǎn)量和生物量。 上述研究成果于3月24日先后在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）（DOI:10.1126/science.ade8416）和《國家科學(xué)評論》（National Science Review）（DOI:10.1093/nsr/nwad075）上。 相關(guān)研究由中科院遺傳發(fā)育所謝旗團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜，與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中科院生物物理研究所、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、山東大學(xué)、寧夏大學(xué)、中科院東北地理所、揚(yáng)州大學(xué)等9家科研單位協(xié)同攻關(guān)完成。 澎湃科技從研究團(tuán)隊(duì)獲悉，此前研究人員關(guān)于耐鹽的研究相對較多，但關(guān)于耐堿的研究少之又少。而且鹽堿地又主要分為兩種類型：中性鹽和堿性鹽，堿性鹽堿地（高pH的蘇打鹽堿地）的“攻克”難度比中性pH的鹽地的“攻克”難度更大。此前，人們發(fā)現(xiàn)過GS3基因，但是為了控制水稻的粒形，沒想過它能調(diào)控作物的耐鹽堿性。為什么AT1/GS3基因能影響作物是否耐鹽堿？它能影響水通道蛋白的磷酸化，從而調(diào)控細(xì)胞內(nèi)過氧化氫的水平，進(jìn)而影響細(xì)胞的命運(yùn)。 隨著人口的快速增加、人均可用耕地和淡水資源的日益減少，到2050年全球農(nóng)作物產(chǎn)量需要翻倍才能滿足人類糧食的需求。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前全球有超過10億公頃的鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被有效利用，且不合理的施肥灌溉將會進(jìn)一步加劇鹽堿地面積的擴(kuò)張，土壤鹽漬化問題已經(jīng)成為世界性難題。因此，通過培育耐鹽堿農(nóng)作物，提高鹽漬化土地產(chǎn)能，是解決未來人類糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑。鹽漬化土地分為中性pH的鹽地（富含氯化鈉和硫酸鈉）和高pH的蘇打鹽堿地（富含碳酸鈉和碳酸氫鈉，約占60%）。目前我們對于植物耐鹽性有較深入認(rèn)識，但是對植物耐堿脅迫環(huán)境的認(rèn)識嚴(yán)重不足。 高粱作為世界第五大作物，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。 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團(tuán)隊(duì)利用高粱資源群體，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析首先定位克隆到一個(gè)與高粱耐堿性顯著相關(guān)的主效位點(diǎn)，命名為AT1，其編碼一個(gè)異源三聚體G蛋白γ亞基（Gγ），與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源。單倍型分析發(fā)現(xiàn)AT1基因內(nèi)存在一個(gè)發(fā)生移碼突變的自然變異與耐鹽堿性狀變異呈極顯著相關(guān)。構(gòu)建高粱AT1過表達(dá)、基因編輯和近等基因系等遺傳材料并進(jìn)行耐鹽堿表型分析，發(fā)現(xiàn)AT1在高粱堿脅迫的響應(yīng)過程中起負(fù)調(diào)控作用。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)AT1/GS3負(fù)調(diào)控堿脅迫耐受性的作用在其它禾本科作物包括水稻、玉米、小麥和谷子中都是高度保守的。 為揭示AT1調(diào)控植物堿脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制，利用免疫共沉淀聯(lián)合LC-MS蛋白質(zhì)譜的方法鑒定到AT1的互作水通道蛋白SbPIP2;1/2;2和SbPIP1;3/1;4，并證實(shí)AT1與它們在植物體內(nèi)體外均存在相互作用。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)過氧化氫（H2O2）外排以減輕堿脅迫對細(xì)胞帶來損傷，AT1/GS3通過抑制PIP2;1蛋白的磷酸化水平影響細(xì)胞中活性氧水平。因此，在堿脅迫條件下，AT1可能通過減弱PIP2;1的磷酸化來調(diào)節(jié)植物細(xì)胞中的ROS穩(wěn)態(tài)，植物進(jìn)而表現(xiàn)出堿敏感的表型；改造該基因則可緩解此毒害，賦予植物高耐鹽堿性。 該工作從高粱起步擴(kuò)展到主要糧食作物中是實(shí)驗(yàn)室植物耐逆方向上的一直堅(jiān)持。另外，在過去幾年利用高粱解析了作物中多個(gè)科學(xué)問題，如鳥挑食的科學(xué)機(jī)制（Mol. Plant, 2019a）和作物種子包殼的進(jìn)化機(jī)制（Nat. Commun., 2022）；甜高粱和邊際土地可持續(xù)利用（Mol. Plant, 2019b）和第一個(gè)基因編輯創(chuàng)制的香高粱（JIPB, 2022）及6個(gè)國審品種在全國推廣超過50萬畝等工作在基礎(chǔ)理論到應(yīng)用方面得到驗(yàn)證。 該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院重點(diǎn)戰(zhàn)略重點(diǎn)項(xiàng)目、寧夏農(nóng)業(yè)育種專項(xiàng)和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的資助 |
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