今日热议：中国科学家首次发现作物主效耐碱调控基因AT1
来源：农民日报
发布日期：2023-03-24 11:06:30
3月24日，《科学》和《国家科学评论》杂志发表中国科学家研究成果，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队与中国农业大学于菲菲团队、华中农业大学欧阳亦聃团队与中国科学院生物物理研究所、中国科学院东北地理与农业生态研究所、宁夏大学、扬州大学、北京大学现代农业研究院、山东大学和先正达集团中国十家科研单位及企业历时7年协同攻关，在耐盐碱作物高粱中发现了一个主效耐盐碱调控基因AT1，并揭示了作物耐盐碱的分子机制。在取得重大理论突破的基础上，合作团队在水稻、小麦、玉米和谷子中开展功能研究。研究表明，对该基因进行操纵，可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等对盐碱的耐受性，提高其产量和生物量。目前，全世界有6.18亿公顷盐碱地，若在其中20%的中低度盐碱地种植AT1及其同源基因改造的作物，预计每年将增产粮食约2.5亿吨。这一研究成果在改良盐碱地综合利用中具有重大应用前景，将极大地促进世界和我国粮食安全。
吉林白城高碱部分区域种上AT1GS3改良过水稻航拍图
(资料图片仅供参考)
联合国粮农组织调查数据显示，截至2015年，全球有超过10亿公顷盐渍化土壤，其中pH值接近中性的盐化土壤约占40%，pH值较高的盐碱化土壤约占60%。在中国约有15亿亩盐碱地，约有5亿多亩有开发利用的潜力。研发适宜盐碱地种植的作物品种，一直是国际科学研究的前沿和重点。
目前，全球在植物耐盐机制的研究已较为成熟，但人们对植物耐碱机制的认识仍有很多不足。当土壤中的pH值上升到一定程度，植物将无法吸收各类元素，慢慢枯萎凋亡。
“常用的拟南芥等模式植物并不是起源于盐碱地，可能缺乏耐碱的遗传信息，导致相关研究未有突破。高粱起源于土壤盐碱度较高的非洲萨赫勒地区，较其他主粮作物对盐碱胁迫有更好的耐受性，可利用高粱高度丰富的耐碱性遗传资源挖掘优异耐盐碱基因。”谢旗领衔的科研团队与合作者独辟蹊径，从世界各地搜集高粱品种，通过全基因组大数据关联分析，发现了一个主效耐碱调控基因AT1。为揭示AT1基因调控作物耐碱性的机制，谢旗与中科院生物物理所陈畅研究员、中科院遗传与发育生物学研究所汪迎春研究员合作，通过细胞生物学、生物化学等学科的研究，发现“水通道蛋白”的调控通路。
当植物细胞受到盐碱胁迫时，会发生氧化应激反应，产生过氧化氢。当过氧化氢达到一定浓度，就会对细胞产生毒害作用。作物细胞膜上的水通道蛋白PIP2s可以把过量的过氧化氢“泵”到细胞外，从而降低细胞内过氧化氢的浓度，防止细胞损伤。当AT1基因存在时，它控制编码的G蛋白γ亚基会抑制水通道蛋白PIP2s发挥功能所必需的磷酸化，致使过量过氧化氢不能及时有效“泵”出细胞。因此，改造该基因，可赋予植物较高的耐盐碱性。
“这是一个全新的通路，我们首次揭示了作物耐盐碱的分子机制。不仅在主要粮食作物水稻、小麦、玉米、谷子等作物得到验证，在动物细胞中也证实了有类似的调控机制。”陈畅说。
在取得重大理论突破后，合作团队对多种作物进行育种改良，开展大田试验。在宁夏回族自治区石嘴山市罗平县pH值达9.10的盐碱地，敲除AT1基因的高粱籽粒增产20.1%，全株生物量（青贮用）增加近30.5%，该基因修饰后的谷子增产19.5%。在吉林省白城市大安县pH值达9.17的盐碱地，敲除AT1同源基因的水稻、谷子和玉米年增产22.4%-27.8%。此外，对该基因改造后的玉米，在盐碱地的存活率也显著提升。
目前，水稻中已利用自然缺失的AT1/GS3基因培育了系列主栽品种。由建三江绿色超级稻院士工作站培育含改良GS3的“鸿香稻93”水稻品种，在黑龙江省的大田种植中表现出比其他主栽品种更好的盐碱耐受性，产量也有显著提高。由李家洋院士团队培育的含改良GS3基因“中科发5号”水稻品种，目前在东北地区广泛种植，也被证实有盐碱地栽培优势。
据了解，本次研究是面向我国农业生产的重大需求，从基础研究着手解决实际问题的典型案例，展现了科学研究机制的创新。
“把具备不同优势的科研人员组织起来，从基础研究到不同物种的应用，让我们看到一个新的研究组织形式，这是很值得学习的地方。”中国工程院院士、中国农业科学院作物科学研究所研究员万建民说。
中科院遗传与发育生物学研究所原所长陈受宜表示：“希望这一成果能在大豆、油菜等双子叶植物上得到进一步研究。”
“一个基因改变一个产业，意义非常重大。”中科院院士、中科院遗传与发育生物学研究研究员李家洋指出，“从基础研究，到发现原理，再到应用，大家互相合作，组成一个创新的链条。应用呼唤技术的合作，技术需要应用的出口，只有把两者真正组合到一起，相辅相成，科学进步才能更快，更好地服务国家重大经济社会问题。”
据了解，AT1基因的发现及应用研究得到中科院“种子精准设计与创造”战略A类先导专项和国家自然科学基金委/山东联合重点基金的支持。本次发布的成果是在先导专项中的“环境智能响应性状形成的分子基础”课题支持下产生的重大突破性成果。
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