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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，該所謝旗團隊與合作人員聯(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。 研究團隊對水稻、玉米、小麥、谷子和高粱等作物的上述基因進行改造，并進行了大田實驗。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)育所謝旗團隊領(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。 澎湃科技從研究團隊獲悉，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)控細胞內(nèi)過氧化氫的水平，進而影響細胞的命運。 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一步加劇鹽堿地面積的擴張，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識，但是對植物耐堿脅迫環(huán)境的認識嚴重不足。 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)研究所謝旗團隊利用高粱資源群體，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析首先定位克隆到一個與高粱耐堿性顯著相關(guān)的主效位點，命名為AT1，其編碼一個異源三聚體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、基因編輯和近等基因系等遺傳材料并進行耐鹽堿表型分析，發(fā)現(xiàn)AT1在高粱堿脅迫的響應(yīng)過程中起負調(diào)控作用。同時，發(fā)現(xiàn)AT1/GS3負調(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進行實驗，發(fā)現(xiàn)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，AT1/GS3通過抑制PIP2;1蛋白的磷酸化水平影響細胞中活性氧水平。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)植物細胞中的ROS穩(wěn)態(tài)，植物進而表現(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展到主要糧食作物中是實驗室植物耐逆方向上的一直堅持。另外，在過去幾年利用高粱解析了作物中多個科學(xué)問題，如鳥挑食的科學(xué)機制（Mol. Plant, 2019a）和作物種子包殼的進化機制（Nat. Commun., 2022）；甜高粱和邊際土地可持續(xù)利用（Mol. Plant, 2019b）和第一個基因編輯創(chuàng)制的香高粱（JIPB, 2022）及6個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)用方面得到驗證。 該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院重點戰(zhàn)略重點項目、寧夏農(nóng)業(yè)育種專項和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助 |
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